Информационные системы спутниковой навигации. Основы спутниковой навигации


Ключевые слова: расстояние до объекта; синхронизация часов; погрешность часов спутника и приемника; эфемериды.

В результате изучения материала второй главы студент должен:

знать

  • принципы навигационных определений в ГНСС;
  • решение задачи определения местоположения объекта;
  • факторы, влияющие на погрешность навигационных измерений;

уметь

  • обобщать и систематизировать научно-техническую информацию, касающуюся разработки спутниковых навигационных технологий место-определения объекта;
  • анализировать и интерпретировать результаты научных исследований, касающихся разработки бортовых телематических устройств, включающих модули спутниковой навигации ГЛОНАСС, GPS;

владеть

  • методами использования решений навигационной задачи для мониторинга движения автотранспортных средств;
  • навыками поиска и анализа научно-технической информации по вопросам разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС, GPS для автомобильного транспорта.

ПРИНЦИПЫ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ

Основной принцип, лежащий в основе системы спутниковой навигации, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если известны местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в трехмерном случае - сферу), на которой должна быть расположена точка местоположения приемника.

Принцип определения координат объекта в системе ГНСС основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии как минимум до трех спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых - спутники, а радиус - измеренное расстояние до каждого из спутников (рис. 2.1). Идея, лежащая в основе измерения расстояния до спут-

Спутник 1

Спутник 2

Местоположение объекта

Спутник 3

Рис. 2.1. Простейший случай спутниковой навигации

ника, основана на известном равенстве: расстояние есть скорость, умноженная на время движения .

Представим, что, находясь в автомобиле, мы хотим определить свое местонахождение на длинной и прямой улице. Предположим, в конце улицы есть радиопередатчик, посылающий тактовый импульс каждую секунду. В автомобиле есть часы, которые синхронизированы с часами радиопередатчика. Измеряя время прохождения импульса от передатчика до машины, мы можем определить позицию автомобиля на улице (рис. 2.2).

Переданный сигнал

Принятый сигнал


Расстояние й

Рис. 2.2. Определение расстояние по времени и скорости

распространения сигнала

Поскольку синхронизация часов в машине с передатчиком неидеальна, существует разница между вычисленным расстоянием и фактическим. В навигации это некорректное значение называется псевдодальность. Если ошибка по времени составляет одну микросекунду (1 мкс), то с учетом скорости распространения радиоволн погрешность составит 300 м.

Можно было бы решить данную проблему, оснастив автомобиль атомными часами, но это значительно повлияет на бюджет. Другим решением будет использование второго синхронизированного передатчика, расстояние до которого известно. Измеряя оба времени распространения, можно точно определить расстояние, несмотря на неточные бортовые часы (рис. 2.3). Чтобы точно вычислить позицию и время вдоль линии (принимаем, что линия продолжается только в одном направлении), нам необходимо использовать два передатчика сигналов времени. Покажем, что расстояние /) в этом случае вычисляется по формуле

  • (Ах! - Лт 2)с + Л
  • (2.1)

где Ат, Дт 2 - измеренное автомобильными бортовыми часами время прихода сигнала соответственно от первого и второго передатчиков; с - скорость света; А - расстояние между передатчиками.

По первому и второму измерениям псевдодальности Д и Д определятся по выражениям

Д = О + 5с; (2.2)

Д=(Л-Д + 5с, (2.3)

где 5 - погрешность часов автомобиля в секундах.

Очевидно, что если часы автомобиля спешат, то знак 5 - положительный, если отстают, то знак 5 - отрицательный.

Заменив в равенствах (2.2), (2.3) псевдодальности Д и Д их выражениями через скорость света и измеренное время прихода сигнала (соответственно Д = С Дт, Г> 2 = с - Дт 2) и выполнив очевидные преобразования, приходим к выражению (2.1).

Из приведенных рассуждений мы можем сделать следующий вывод: при несинхронизированных бортовых часах, используемых при расчете позиции, необходимо использовать число передатчиков сигналов времени, превышающее число неизвестных измерений на единицу.


Рис. 2.3.

несмотря на ошибки по времени

Навигационный приемник измеряет время, за которое радиосигнал доходит от спутника до объекта, а затем по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с. Если точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда он получен, несложно определить время распространения радиосигнала. Умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получаем расстояние до спутника.

Наземные часы должны быть весьма точны, так как свет распространяется чрезвычайно быстро. Например, если бы спутник GPS находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 65 мс для прохождения радиосигнала от спутника до наземного приемника (рис. 2.4).

Глобальная навигационная спутниковая система строится с применением способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты. Относительная нестабильность стандарта частоты бортового синхронизирующего устройства навигационного спутника ГЛОНАСС (1-5) 10 -13 с за сутки .

Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики ГНСС обратились к следующей идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время. Иными словами, приемник генерирует свой

Показания часов спутника Показания часов спутника

и приемника 0 мс и приемника 65 мс


Время передачи сигнала (Start time)

Время приема сигнала (Stop time)

1_ Сигнал

Рис. 2.4. Определение транзитного времени сигнала

внутренним код в то же самое время, что и передатчик спутника, т.е. в идеале он должен точно дублировать код спутника.

Далее остается принять код от спутника и посмотреть, как давно приемник сгенерировал тот же код. Для этого приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью.

Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Система ГНСС использует способ определения местоположения по дальности до ориентиров-спутников, которые находятся с помощью псевдослучайного кода. Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными «псевдослучайными последовательностями», которые повторяются каждую миллисекунду.

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

  • Мобильная связь;
  • Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
  • Определение сейсмической активности;
  • Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
  • Геодезия – определение точных границ земельных участков;
  • Картография;
  • Навигация;
  • Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

  • Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
  • Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
  • Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
  • Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

  • Погрешность в вычислении орбит;
  • Ошибки, связанные с приемником;
  • Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
  • Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
  • Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS :

  • Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
  • Количество орбитальных плоскостей – 6;
  • Высота орбиты – 20000 км;
  • Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
  • Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
  • Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

  • Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
  • Тип антенны;
  • Наличие картографической поддержки;
  • Тип дисплея;
  • Дополнительные функции;
  • Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

  • Найти спутник и установить с ним связь;
  • Получить альманах и сохранить его в памяти;
  • Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
  • Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
  • Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом .

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Спутниковые Навигационные Системы (СНС) - специальный комплекс космических и наземных технических 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.

Спутниковые навигационные комплексы, созданные впервые в США - «NAVSTAR» и в СССР - «ГЛОНАСС» (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), вошли в международную практику решения военных, навигационных, инженерных и других проблем под названием "Global Positioning System» («GPS») или дословно - Глобальная Система Позиционирования (местоопределения). Поэтому в дальнейшем Спутниковые Навигационные Системы (СНС) будем называть, используя международную аббревиатуру («GPS»).

Возможность оперативного определения координат местоположения имеет столь существенное значение в жизни современного человечества, что системы «GPS» рассматривают как «Новое достояние цивилизации». Появление спутниковых навигационных систем, уже ставших доступными рядовому пользователю, безусловно, предопределит в ближайшем будущем качественное изменение содержания и методов производства большинства видов инженерно-геодезических работ.

Принципы функционирования «GPS» основаны на определении местоположения по расстояниям до группы высокоорбитальных навигационных искусственных спутников Земли, выполняющих роль точно координированных точек отсчета (подвижных пунктов геодезической сети).

Каждая из систем спутниковой навигации состоит из трех самостоятельных подсистем: А , В и С .

А - подсистема орбитального комплекса, состоящая из высокоорбитальных искусственных спутников Земля (ИЗС – рис. 8.1) и средств вывода их на орбиты. Каждый спутник имеет на борту несколько высокоточных атомных часов - эталонов частоты. Спутники постоянно транслируют координатные радиосигналы и навигационные сообщения и создают тем самым единое глобальное навигационное поле.



Создание в нашей стране орбитального комплекса «ГЛОНАСС» штатного состава из 24 навигационных спутников было начато в октябре 1982 г. и завершено в декабре 1995 г. Искусственные спутники «ГЛОНАСС» равномерно распределены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных относительно друг друга на 120° (рис. 8.2 б ). Плоскостям соответствен­но присвоены номера 1, 2 и 3 с возрастанием в сторону вращения Земли, при этом номинальные значения абсолютных долгот идеальных плоско­стей зафиксированы:

215°15"00" + 120°(i-1), (8.1)

где i - номер орбитальной плоскости.

Номинальные расстояния между соседними спутниками «ГЛОНАСС» по аргументу широты составляют 45°. Спутникам 1-й орбитальной плос­кости присвоены номера с 1 по 8, спутникам 2-й орбитальной плоскости - с 9 по 16 и спутникам 3-й орбитальной плоскости - с 17 по 24. Орби­тальные плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу ши­роты на 15°.

а ). Спутник NAVSTAR.

б ) Спутник ГЛОНАСС.

Рис. 8.1. Навигационные спутники.

а ) б )

Рис. 8.2. Спутниковые навигационные системы.

а ) – NAVSTAR; б ) – ГЛОНАСС.

Навигационные спутники системы NAVSTAR размещены в шести орбитальных плоскостях, по четыре спутника в каждой (рис. 8.2 б ).

Высота орбиты навигационных спутников системы «ГЛОНАСС»-19-100 км, системы «NAVSTAR»-20-180 км.

Период обращения спутников системы «ГЛОНАСС» - 11 часов 15 минут 44 секунды, системы «NAVSTAR» - 12 часов.

Наклонение орбиты системы «ГЛОНАСС» - 64,8°, системы «NAVSTAR» - 55,0°.

Такая конфигурация орбитальной структуры спутниковых навигаци­онных систем обеспечивает глобальную и непрерывную зоны действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.

Навигационные спутники систем «GPS» непрерывно излучают ра­диосигналы различной точности. Так, для системы «ГЛОНАСС» преду­смотрены навигационные сигналы двух типов:

Высокой точности (ВТ) - предназначен исключительно для решения задач Министерства Обороны РФ.

Стандартной точности (СТ) - доступен всем потребителям.

Для системы «NAVSTAR» предусмотрены навигационные сигналы трех типов:

Protected (P-code) - защищенный, предназначенный прежде всего для нужд МО США.

Selective Availability (S/A) - избирательной доступности, преднаме­ренно создавая значительный и непредсказуемый уход спутниковых ча­сов создает значительные ошибки в определении местоположения для общегражданского круга пользователей.

Clear Acquisition (С/А) - легкой распознаваемости, т. е. - это обще­гражданский код.

Б - наземная подсистема контроля и управления состоит из группы станций слежения, нескольких станций загрузки на ИЗС и главной стан­ции. Эта подсистема осуществляет мониторинг целостности системы и является первичным источником информации, поставляемой пользова­телям. Ее основными задачами являются:

Контроль за работой навигационных ИЗС;

Сбор информации для определения и прогноза орбит (эфемерид);

Формирование единой временной системы всего орбитального ком­плекса и ее синхронизация относительно Всемирного времени и экспор­тирование данных в память бортовых компьютеров навигационных ИЗС.

Орбитально - временная информация закладывается в память ИЗС дважды в сутки, что обеспечивает высокую точность навигационных оп­ределений.

В - подсистема пользователей состоит из комплекса аппаратно-про­граммных средств, реализующих основное назначение «GPS» - опреде­ление координат для геодезического применения.

Главными факторами широкого использования аппаратуры пользова­телей «GPS» являются:

Всепогодность;

Оперативность первого определения координат (менее 3 минут от включения приемника);

Непрерывность определения координат (каждые 0,5 с);

Малые габариты и вес приемников;

Малая энергоемкость;

Простота эксплуатации;

Высокая точность;

Сравнительно небольшая стоимость.

Данные позиционирования представляются в любом удобном для пользователя цифровом виде: в различных географических системах координат или в любой прямоугольной системе координат с возможностью описания и систематизации объектов позиционирования.

В настоящее время спутниковые навигационные системы уже нашли широкое применение в следующих областях: военной; на космическом, воздушном, морском, речном, автодорожном, железнодорожном и дру­гих видах транспорта; в геодезии, картографии, океанографии; при про­изводстве геофизических и геолого-разведочных работ; в лесном хозяй­стве и землеустройстве; рыболовном хозяйстве; в экологическом монито­ринге; в научно-исследовательских работах, в том числе, фундаменталь­ных и других сферах человеческой деятельности.

В части инженерной геодезии и инженерного дела, это безусловно, ре­волюционный прорыв в будущее, который влечет за собой как радикаль­ное изменение парка инженерно-геодезического оборудования, так и тех­нологий и методов производства работ.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Измерение расстояния происходит при помощи сравнения времени отправки сигнала (хранящегося в передаваемом пакете с временем приема пакета).

Таблица положений всех спутников называется альманахом. Для выполнения измерений, спутниковый приемник должен содержать в своей памяти эту таблицу. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел (прошло не более 2-х дней) – мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных математических вычислений и геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить текущее положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. Д .

Рисунок 2 – Принцип работы спутниковых систем навигации

Технические параметры систем GPS и ГЛОНАСС

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию системы спутниковой навигации, представленные в табл. 1.

К основным системам спутниковой навигации, как наиболее развернутым, относятся системы GPS и ГЛОНАСС. Обе системы имеют двойное назначение – военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для GPSи России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).



Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах – 24 . Группировка GPS полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идёт её активное восстановление. До конца 2009 года планируется запуск необходимого до штатного функционирования навигационных спутников.

Таблица 1 – Системы спутниковой навигации

Название Страна Этап Использование за пределами страны
NAVSTAR GPS США Эксплуатация да
ГЛОНАСС Россия Повторное развёртывание спутниковой группировки да
Бэйдоу Китай Разработка нет
Galileo Европейская система Создание спутниковой группировки да
IRNSS Индия Разработка нет

Рисунок 3 – Космический сегмент спутников ГЛОНАСС и GPS

Обе системы используют сигналы на основе так называемых «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты - L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 – только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Данные, передаваемые со спутника, помимо основной информации, содержат также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В состав дополнительной информации входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Из этого можно сделать вывод, что старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка одной минуты) - это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах – так называемый «холодный старт». «Холодном старт» обычно происходит при первом включении приёмника, либо если приемник долгое время (более 2-х дней) не использовался.

Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др.

Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам:

Доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения.

Целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее.

Непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.

Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зо-не аэродрома и некатегорированном заходе на посадку не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС потребителями.

В СНС ГЛОНАСС и GPS высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов:

Космического сегмента;

Сегмента управления;

Сегмента потребителей.

Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS) и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы наземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п.

Основу концепции СНС ГЛОНАСС и GPS составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение искомых навигационных данмирудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя весьма компактным и экономичным.

Космический сегмент.

Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3 - 5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть.

Основное значение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭМВ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационых параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппаратурой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.

Дальномерная составляющая содержит компоненты стандартной и высокой точности. Стандартная точность измерений доступна всем потребителям, а высокая - только авторизованным, т.е. имеющим разрешение военных контролирующих органов. Разграничение доступа достигается путем кодирования сигналов высокой точности.

В условиях военных действий возможны попытки как постановки преднамеренных помех с целью подавления сигнала СНС (джаминг), так и попытки навязывания (спуфинг), т.е. подмены сигнала и ввода в приемную аппаратуру противника заведомо ложной информации при помощи сторонних передатчиков. Поскольку в литературе весьма редко встречается четкое толкование термина «антиспуфинг» применительно к СНС, следует особо подчеркнуть, что речь идет именно о защите от навязывания.

Сегмент управления.

Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции ста-раются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитически-ми факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной стан-цией. На главной станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА.

Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС.

Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов.

Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени.

Сегмент потребителей.

Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации; гражданские организации; частные лица. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма вычисления оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами.

Определение текущих координат НКА.

Несмотря на некоторое сходство с радиомаячными навигационными системами (беззапросность, дальномерный метод), СНС имеют также и существенные отличия. Координаты радиомаяков неизменны и заранее известны, тогда как координаты НКА необходимо постоянно находить. Определение текущих координат НКА, движущихся с большими непостоянными относительно потребителя скоростями представляет собой сложную техническую и вычислительную задачу.

При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. Контрольно-измерительные станции расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. По результатам доступных наблюдений в вычислительном центре главной командной станции вычисляются параметры орбит НКА. Они подвергаются математической обработке по алгоритмам устранения погрешностей. Затем на основании обработанных данных составляется прогноз параметров орбиты в фиксированные (опросные) моменты времени вплоть до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Во время сеанса связи эфемериды передаются на НКА, а затем в виде навигационного сообщения, содержащего эфемериды и соответствующие метки времени - потребителям. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты НКА в опорные моменты времени, потребитель может вычислить координаты НКА в произвольный момент времени. Кроме эфемерид в навигационное сообщение закладывается альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС в целом, включая загрубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых НКА и выбора оптимального созвездия.

Общепринятые единицы мер времени.

Рассмотрение принципов построения и функционирования спутниковых навигационных систем невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА к единой шкале времени и т.д.

Принято различать две группы единиц отсчета времени:

Астрономические;

Неастрономические.

Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400сек и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой фиксированной точки отсчета на небесной сфере, для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.

Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками, или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени меридиана.

Местное звездное время измеряется часовым углом положения точки весеннего равноденствия относительно небесного меридиана. Под небесным меридианом понимают проекцию земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах, секундах.

Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движений по конусу - прецессий, и небольших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.


2024 © radiocodes.ru.