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.
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;
НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ
Принцип работы системы
навигации
НАВИГАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ
CИСТЕМЫ КООРДИНАТ
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СНИЖЕНИЕ ТОЧНОСТИ
СИСТЕМЫ ВРЕМЕНИ
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИИ
Основные элементы спутниковой системы навигации
Космический сегмент
Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.
Наземный сегмент
В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.
Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.
Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.
Пользовательский сегмент
В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.
Принцип работы системы навигации
Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.
На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии - это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.
В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.
В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.
Системы координат
Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли, о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.
Геоцентрические системы координат - системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.
Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:
- радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
- лазерная локация космических аппаратов (SLR),
- доплеровские измерительные системы (DORIS),
- навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.
Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.
В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.
Системы времени
В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.
Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.
Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.
Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.
Атомное время (TAI) - время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.
Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).
Навигационные радиосигналы
Навигационных радиосигналы
При выборе типов и параметров сигналов, используемых в спутниковых радионавигационных системах, учитывается целый комплекс требований и условий. Сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки) сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодирования навигационного сообщения. Также сигналы должны иметь низкий уровень взаимной корреляции для того, чтобы сигналы разных навигационных космических аппаратов надежно различались навигационной аппаратурой потребителей. Кроме того, сигналы ГНСС должны максимально эффективно использовать отведенную полосу частот при малом уровне внеполосного излучения, обладать высокой помехоустойчивостью.
Почти все существующие навигационные спутниковые системы, за исключением индийской системы NAVIC, используют для передачи сигналов диапазон L. Система NAVIC будет излучать сигналы дополнительно и в S диапазоне.
Диапазоны, занимаемые различными навигационными спутниковыми системами
Виды модуляции
По мере развития спутниковых навигационных систем изменялись используемые виды модуляции радиосигналов.
В большинстве навигационных систем изначально использовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной)
фазовой модуляцией – ФМ-2 (BPSK). В настоящее время в спутниковой навигации начался переход к новому классу модулирующих функций,
получивших название BOC (Binary Offset Carrier)-сигналов.
Принципиальное отличие BOC-сигналов от сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП BOC-сигнала представляет собой не прямоугольный видеоимпульс, а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое постоянное число периодов k. Поэтому сигналы с BOC-модуляцией часто называют меандровыми шумоподобными сигналами.
Использование сигналов с BOC-модуляцией повышает потенциальную точность измерения и разрешающую способность по задержке. Одновременно с этим, уменьшается уровень взаимных помех при совместном функционировании навигационных систем, использующих традиционные и новые сигналы.
Навигационное сообщение
Каждый спутник принимает с наземных станций управления навигационную информацию, которая передается обратно пользователям в составе навигационного сообщения. Навигационное сообщение содержит разные типы информации, необходимые для того, чтобы определить местоположение пользователя и синхронизовать его шкалу времени с национальным эталоном.
Типы информации навигационного сообщения
- Эфемеридная информация, необходимая для вычисления координат спутника с достаточной точностью
- Погрешность расхождения бортовой шкалы времени относительно системной шкалы времени для учета смещения времени космического аппарата при навигационных измерениях
- Расхождение между шкалой времени навигационной системы и национальной шкалой времени, для решения задачи синхронизации потребителей
- Признаки пригодности с информацией о состоянии спутника для оперативного исключения спутников с выявленными отказами из навигационного решения
- Альманах с информацией об орбитах и состоянии всех аппаратов в группировке для долгосрочного грубого прогноза движения спутников и планирования измерений
- Параметры модели ионосферы, необходимые одночастотным приемникам для компенсации погрешностей навигационных измерений, связанных с задержкой распространения сигналов в ионосфере
- Параметры вращения Земли для точного пересчета координат потребителя в разных системах координат
Признаки пригодности обновляются в течение нескольких секунд при обнаружении отказа. Параметры эфемерид и времени, как правило, обновляются не чаще, чем раз в полчаса. При этом период обновления для разных систем сильно отличается и может достигать четырех часов, в то время как альманах обновляется не чаще, чем раз в день.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию и передается в виде потока цифровой информации (ЦИ).
Изначально во всех навигационных спутниковых системах использовалась структура вида «суперкадр/кадр/строка/слово». При этой структуре поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров,
суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк.
В соответствии со структурой «суперкадр/кадр/строка/слово» формировались сигналы системы БЕЙДОУ, ГАЛИЛЕО (кроме E6), GPS (LNAV данные, L1), сигналы ГЛОНАСС с частотным разделением.
В зависимости от системы, размеры суперкадров, кадров и строк могут отличаться, но принцип формирования остается похожим.
Сейчас в большинстве сигналов используется гибкая строковая структура. В этой структуре навигационное сообщение формируется в виде переменного потока строк различных типов. Каждый тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определённый тип информации (указаны выше). НАП выделяет из потока очередную строку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию, содержащуюся в этой строке.
Гибкая строковая структура навигационного сообщения позволяет значительно более эффективно использовать пропускную способность канала передачи данных.
Но главным достоинством навигационного сообщения с гибкой строковой структурой является возможность её эволюционной
модернизации при соблюдении принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчиков НАП специально указывается,
что если НАП в навигационном сообщении встречает строки неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет добавлять
в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим типам строк строки с новыми типами. НАП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и,
следовательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не нарушается.
Сообщения сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением имеют строковую структуру.
Факторы, влияющие на снижение точности
На точность определения потребителем своих координат, скорости движения и времени влияет множество факторов, которые можно разделить на категории:
- Системные погрешности, вносимые аппаратурой космического комплекса
Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры спутника и наземного комплекса управления ГНСС обусловлены в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения.
- Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала от космического аппарата до потребителя
Погрешности обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов в атмосфере Земли от скорости их распространения в вакууме, а также зависимостью скорости от физических свойств различных слоёв атмосферы.
- Погрешности, возникающие в аппаратуре потребителя
Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП и флуктуационные погрешности, обусловленные шумами и динамикой потребителя.
Кроме того, на точность навигационно-временного определения существенно влияет взаимное расположение навигационных спутников и
потребителя.
Количественной характеристикой погрешности определения местоположения и поправки показаний часов, связанной с особенностями пространственного положения спутника и потребителя, служит так
называемый геометрический фактор
Γ Σ или коэффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обозначение GDOP - Geometrical delusion of precision.
Геометрический фактор Γ Σ показывает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений и зависит от следующих параметров:
- Г п - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве.
Соответствует PDOP - Position delusion of precision. - Г г - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали.
Соответствует HDOP - Horizontal delusion of precision. - Г в - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали.
Соответствует VDOP - Vertical delusion of precision. - Г т - геометрический фактор точности определения поправки показаний часов потребителя ГНСС.
Соответствует TDOP - Time delusion of precision.
Повышение точности навигации
Существующие в настоящее время глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС позволяют удовлетворить потребности в навигационном обслуживании обширный круг потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей и другие.
Классическим методом повышения точности навигационных определений является использование дифференциального (относительного) режима определений.
Дифференциальный режим предполагает использование одного или более базовых приёмников, размещённых в точках с известными координатами, которые одновременно с приёмником потребителя (подвижным, или мобильным) осуществляют приём сигналов одних и тех же спутников.
Повышение точности навигационных определений достигается за счёт того, что ошибки измерения навигационных параметров потребительского и базовых приёмников являются коррелированными. При формировании разностей измеряемых параметров большая часть таких погрешностей компенсируется.
В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки – контрольно-корректирующей станции (ККС) или системы опорных станций, относительно которых могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей до навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.
Для обеспечения дифференциального режима для большого региона – например, для России, стран Европы, США - передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Системы, реализующие такой подход, получили название широкозонные дифференциальные системы.
