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;
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.
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.
"ВМ"-02-04
Использование спутниковой навигационной системы
для координатно-временного обеспечения ВС РФ
Генерал-майор В.М. БУРЕНОК, доктор технических наук
Капитан 1 ранга Е.Л. КОРЕПАНОВ
СПУТНИКОВЫЕ навигационные системы (СНС) в настоящее время являются важнейшим средством координатно-временного обеспечения (КВО) видов Вооруженных Сил Российской Федерации и других силовых ведомств. Под КВО целесообразно понимать относительно самостоятельную часть навигационного обеспечения операций (боевых действий), предназначенную для снабжения потребителей информацией об их местоположении, времени и параметрах движения в интересах собственно навигации и других видов обеспечения: разведывательного, топогеодезического, картографического, поисково-спасательного и др.
Исходя из специфики потребителей координатно-временной информации, можно выделить следующие виды КВО, связанные с областями применения: КВО в интересах неподвижных потребителей для получения точных текущих географических координат точки земной поверхности или объекта с целью топопривязки, геодезической съемки местности, картографирования и др.; КВО в интересах подвижных потребителей с целью решения задач навигации морских и речных судов, аэронавигации летательных аппаратов, навигации наземных мобильных средств, а также наведения высокоточных средств поражения воздушного, морского и наземного базирования, выброски воздушных десантов и грузов; КВО в интересах высокодинамичных потребителей с целью решения задач баллистического и эфемеридно-временного обеспечения применения ракет-носителей, разгонных блоков, космических аппаратов, баллистических ракет;
КВО потребителей с целью временной привязки и частотной синхронизации их действий.
В России применение навигационной аппаратуры потребителей (НАП) спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС предусмотрено во всех видах Вооруженных Сил и родах войск, а также практически на всех перспективных образцах вооружения, которые составят основу ударной мощи видов ВС РФ в XXI веке. Можно отметить следующие достоинства использования СНС для обеспечения высокоточного поражения целей и управления войсками: обеспечение высокой точности попадания средств поражения при действиях по стационарным целям с известными координатами независимо от характера местности и времени года, освещенности (времени суток), облачности и видимости (условий погоды), конфигурации цели и ее радиолокационной, тепловой, визуальной и другой контрастности; сокращение продолжительности подготовки удара высокоточным оружием; увеличение дальности стрельбы высокоточными крылатыми ракетами (поскольку отпадает необходимость отклонения от оптимального маршрута для пролета над районами коррекции); возможность согласования с высокой точностью действий космических, воздушных, морских и наземных средств вооруженной борьбы в единой глобальной системе координат и времени и др.
Важным направлением использования НАП СНС ГЛОНАСС является обеспечение траекторных измерений при проведении пусков баллистических ракет, ракет-носителей и разгонных блоков. Использование системы траекторных измерений на базе НАП СНС ГЛОНАСС после подтверждения ее характеристик позволит практически отказаться от наземного комплекса траекторных измерений. При экономии как финансовых затрат, так и кадровых ресурсов это обеспечит глобальность проведения измерений, что немаловажно при осуществлении пусков с морских стартовых позиций и в диапазонах азимутов пусков, не обеспечиваемых измерениями существующими средствами.
Анализ существующей номенклатуры отечественной НАП СНС, используемой для навигационного обеспечения военных потребителей, свидетельствует о наличии ряда проблем в их создании и применении.
Первая - низкие объемы поставок НАЛ СНС, в результате чего реальная оснащенность военных потребителей навигационной аппаратурой составляет единицы процентов, а выпускаемая промышленностью НАП СНС не обеспечивает решение большей части стоящих задач. Особенно острый недостаток в комплектах НАП СНС различной модификации испытывают Сухопутные войска.
Вторая проблема- неудовлетворительные массогабаритные и точностные характеристики НАП СНС. В частности, НАП «Период», применяемая в настоящее время в Сухопутных войсках, имеет массу 16,5 кг, а принятая в 2003 году на вооружение НАП СНС «Грот» (2,1 кг) еще не получила широкого распространения. Применяемая для навигационного обеспечения операций и боевых действий ВВС НАП СНС имеет аналогичные недостатки (пример - одноканальная аппаратура А-724М). Низкоорбитные СНС, используемые в ВМФ, не удовлетворяют требованиям морских потребителей по точности, доступности, целостности и непрерывности навигационного обеспечения. НАП СНС ГЛОНАСС, применяемая в Ракетных войсках стратегического назначения для заблаговременной геодезической подготовки позиционных районов и при испытаниях новых образцов ракетного вооружения, а также в Космических войсках для навигационно-баллистического обеспечения управления космическими аппаратами, имеет недостатки, суть которых состоит в несоответствии требуемых и реально достигнутых характеристик точности и надежности, отсутствии методик использования корректирующей информации для штатного состава аппаратуры и др.
Третья проблема - необходимость ограничения в мирное время доступа к корректирующей информации потребителей, не имеющих на это права, а в ходе операций и боевых действий - для недопущения или снижения эффективности применения средств дифференциальной навигации вероятным противником.
Приемники СНС могут быть использованы для определения координат географических объектов, что в соответствии с Законом РФ «О государственной тайне» относится к секретным сведениям. Формально эксплуатация этой аппаратуры должна быть запрещена для всех физических лиц и разрешена только юридическим лицам, имеющим соответствующую лицензию. Однако указанное ограничение является негативным сдерживающим фактором в использовании СНС гражданскими потребителями. Причем экономические потери России отданного запрета, на наш взгляд, существенно выше возможного ущерба, который может быть нанесен в результате несанкционированного определения координат объектов приемниками СНС физических лиц. Правительство РФ своим постановлением от 29 марта 1999 года поручило федеральным органам исполнительной власти пересмотреть вышеуказанные ограничения, а также выработать меры, предотвращающие возможный ущерб национальной безопасности при использовании физическими лицами на территории страны высокоточных навигационных средств.
Четвертая проблема (пожалуй, наиболее сложная) - технологическое отставание российской промышленности от зарубежной. По ряду архитектурных, программно-математических и схемотехнических решений отечественные разработки превосходят разработки передовых зарубежных стран. Однако технологии микроэлектронного производства отечественной элементной базы с требуемыми топологическими нормами, необходимыми для производства современной и перспективной навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS, в настоящее время отсутствуют.
Разработка сложной в техническом отношении аппаратуры, которой является НАП СНС и аппаратура средств функциональных дополнений, невозможна без использования современных электронных средств и технологий. Применяемые электронные компоненты полностью определяют такие основные характеристики аппаратуры, как габариты, масса, потребляемая мощность.
Главными тенденциями развития навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем являются микроминиатюризация, снижение энергопотребления и уменьшение стоимости . Основной путь достижения этих целей - использование специализированной элементной базы, в первую очередь специализированных больших интегральных схем (СБИС). Отсутствие необходимой для производства отечественной НАП элементной базы вынуждает производителей закупать ее за рубежом. Применение электрорадиоизделий иностранного производства в отечественных образцах вооружения и военной -техники является вынужденной мерой, обусловленной кризисным состоянием электронной промышленности и ее крупнейшей подотрасли - микроэлектроники. Для упорядочения этого процесса министром обороны в 2001 году была утверждена Инструкция о порядке применения электронных модулей, комплектующих изделий и конструкционных материалов иностранного производства в системах, комплексах, образцах вооружения и военной техники и их составных частях.
Применение электрорадиоизделий иностранного производства в образцах отечественного вооружения и военной техники обусловливает необходимость решения дополнительно трех задач: обеспечения технологической независимости; оценки соответствия требованиям, установленным в комплексе государственных военных стандартов «Климат-7»; обеспечения информационной безопасности.
Наиболее результативные технические решения в области СНС-технологий достигнуты в настоящее время только для системы GPS. Перспективные приемники этой системы построены на базе двух-трех сверхбольших интегральных схем, что позволяет достичь высоких эксплуатационных характеристик и низкой стоимости, а в сочетании с успешным функционированием GPS - и большого рыночного спроса. Существующие приемники сигналов СНС ГЛОНАСС из-за отсутствия соответствующей специализированной элементной базы уступают по энергопотреблению, массогабаритным характеристикам и стоимости приемникам GPS в 3-10 раз.
Решение задачи создания современной отечественной элементной базы основано на внедрении перспективных микроэлектронных технологий с использованием лучших мировых достижений автоматизированного проектирования и серийного изготовления электронных компонентов и создании на их основе базовых навигационных модулей. Федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» на ОАО «Российский институт радионавигации и времени» возложена задача разработки и освоения производства СБИС, радиоэлектронных компонентов и базовых модулей для НАП и функциональных дополнений СНС ГЛОНАСС/GPS. К решению указанной задачи в качестве соисполнителей привлекаются отечественные предприятия, имеющие наибольший научно-технический и технологический потенциал. Ключевыми целями разработки являются: обеспечение энергосберегающих режимов функционирования; минимизация времени первого определения; обеспечение работоспособности аппаратуры при малых уровнях сигналов СНС, воздействиях помех; обеспечение высокой точности и стабильности измерений первичных радионавигационных параметров.
Еще одна проблема в области развития СНС - значительная номенклатура и различное конструктивное исполнение навигационной аппаратуры потребителей . В условиях ограниченности финансовых ресурсов это сдерживает оснащение войск и сил флота указанной аппаратурой и требует проведения мероприятий по ее унификации. Основными целями при этом должны быть: сокращение затрат на их создание, закупку, эксплуатацию и техническое сопровождение; сокращение сроков их создания; обеспечение системной совместимости и взаимозаменяемости средств и их составных частей; снижение затрат и уменьшение сложности подготовки личного состава для работы с навигационной аппаратурой.
Образцы НАП СНС первого поколения разрабатывались с учетом требований по унификации, однако в них была реализована только внутризаводская унификация. В настоящее время они выработали свой ресурс, морально устарели и проводить работы по их унификации, на наш взгляд, бессмысленно. Целесообразной представляется разработка унифицированных рядов НАП, создаваемых на основе базовых моделей. Базовые модели НАП - образцы, имеющие необходимый минимум конструктивно и программно реализованных технических решений, определяющих особую область применения. Они позволяют создавать модификации НАП, учитывающие специфические дополнительные требования. Каждый унифицированный ряд представляет собой развитие базовой модели в том или ином направлении. В настоящее время уже существует несколько унифицированных рядов НАП СНС.
Первый . Семейство образцов разработки КБ «НАВИС», предназначенных для решения относительно неоперативных задач дальней навигации, присущих в основном ВМФ. Создается двухчастотная модификация, удовлетворяющая требованиям высокоточных целеуказаний, а также прибрежной и ближней навигации. Также создается двухчастотная модификация для решения задач топогеодезического обеспечения ВС РФ. Кроме того, существует малогабаритный носимый вариант НАП СНС этого типа.
Второй . Семейство образцов разработки НИИ КП, предназначенных для решения задач с повышенной точностью и оперативностью, таких, как топогеодезическое обеспечение ударов ракетных войск и артиллерии, местоопределение подвижных мотострелковых и танковых подразделений, навигационное обеспечение действий десантных подразделений и особенно подразделений сил специального назначения.
Третий . Семейство образцов НАП разработки МКБ «Компас», предназначенных для решения задач ВВС.
Помимо указанных имеется унифицированный ряд НАП СНС разработки ОАО РИРВ для гражданских потребителей, возможность принятия которой на вооружение ВС РФ в настоящее время рассматривается.
Основным видом унификации НАЛ СНС второго поколения является межпроектная унификация НАЛ и средств функциональных дополнений в рамках одного предприятия-производителя . Унификация между предприятиями практически не применяется. Связано это в первую очередь с особенностями современного проектирования и производства НАП фирмами-производителями на базе использования укрупненных модулей и элементов собственной разработки. Кроме того, имеются сложности в передаче предприятием-разработчиком другим фирмам оригинальных технологий производства комплектующих. Ликвидация этого существенного недостатка требует решения в рамках реформы, проводимой в оборонно-промышленном комплексе.
Основными перспективными направлениями унификации образцов НАЛ военного назначения могут быть: унификация функциональных модулей, габаритных, присоединительных и установочных размеров;
унификация протоколов внешнего и внутреннего информационного обмена, интерфейса пользователя; унификация перечня и содержания типовых процессов и операций подготовки, контроля, испытаний и выполнения основных целевых задач навигационных средств; унификация программного обеспечения.
Широкое использование всех форм унификации позволит существенно повысить эффективность создания и применения навигационных средств военными потребителями.
Подводя итог, можно отметить, что в целях повышения уровня координатно-временного обеспечения, а также для наиболее полной реализации потенциальных возможностей системы ГЛОНАСС необходимо проведение единой государственной и в первую очередь военно-технической политики в области применения спутниковой навигационной системы. Целесообразно активизировать работы по формированию единых требований к военной НАП СНС на основе системных межвидовых исследований, внедрения стандартов, определяющих все основные аспекты процесса разработки и применения военной НАП СНС.
Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте
Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.
В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.
Системы GPS и ГЛОНАСС
GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.
На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.
Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.
Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.
Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».
Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:
- американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
- разная высота и количество орбит;
- разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
- разный формат сигналов и рабочие частоты.
- GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
- Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
- Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
- Множество устройств поддерживает систему.
Преимущества системы GPS
Преимущества системы ГЛОНАСС
- Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
- Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
- ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.
- Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
- Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
- Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.
- Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
- Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
- Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
- Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.
Недостатки системы GPS
Недостатки системы ГЛОНАСС
Резюме
Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.
ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.
