Основные требования к глобальной навигационной спутниковой системе

Введение
Еще несколько лет назад, идущий по лесу, запросто мог потерять ориентацию на местности и потеряться. Школьные знания по методам ориентирования, например по положению солнца на небе, мху на коре деревьев или складкам местности, зачастую не давали должного эффекта. Появление в широкой продаже приемников сигналов GPS в корне изменило ситуацию. Устройство, внешне напоминающее мобильный телефон, в считанные секунды отображает на ЖК-дисплее координаты местоположения пользователя на поверхности земли. Более «продвинутые» и дорогие модели оказались способными предоставить всю необходимую информацию на цветной электронной карте.
В данной работе я буду рассматривать новейшие радионавигационные системы – это ГЛОНАСС и GPS. ГЛОНАСС – советская/российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства Обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации. Вторая система спутниковой навигации это GPS. GPS – спутниковая система навигации, обеспечивающая измерения расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 86. Позволяет работать в любой точке Земли (кроме приполярных областей), почти при любой погоде, а также околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объекта. Система разработана Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей – нужен только навигатор или другой аппарат с GPS-приемником.
1. Основные требования к глобальной навигационной спутниковой системе
Резолюции ИМО А.815(19) 1995 года установила требования к перспективной глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС) для обеспечения безопасности мореплавания и эффективного и надежного использования ее координатно-временной информации при плавании во всех районах мирового океана, включая узости, подходы к портам, реки и портовые воды (см. таблицу).
Таблица
Перечень минимальных требований морских потребителей к ГНСС
Параметры Требование
Точность системы определения местоположения принимающей антенны Абсолютная точность 10 м (95%)
Повторяемая точность 14 м (95%)
Целостность системы: время предупреждения о нарушении работы системы 10 сек
пороговое значение нарушения 25 м (величина ухудшения точности)
Доступность службы 99,8% за 30 дней работы
пороговое значение качества работы непреднамеренные перерывы не должны превышать 3 сек.
Надежность службы 99,97% за 1 год работы
Зона действия службы глобальная Частота обновления обсервации системы по крайней мере, каждые 2 сек. Пропускная способность службы неограниченная В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям к навигационному обеспечению cудоходства СНС GPS и ГЛОНАСС при использовании в штатном и дифференциальном режимах работы. Основными достоинствами этих систем при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме работы являются глобальность рабочей зоны, высокие доступность, точность и надежность при непрерывности навигационных определений, а в дифференциальном режиме - возможность повышения точности и надежности навигационных определений в рабочей зоне дифференциальной подсистемы. Погрешности определения местоположения СНС ГЛОНАСС и GPS при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме не превышают соответственно 45м и 100м, а в дифференциальном режиме - 10м с вероятностью 95%. Исходя из перспективных возможностей СНС, связанных с совместным использованием систем ГЛОНАСС и GPS, а также вводом в эксплуатацию функциональных дополнений СНС, обеспечивающих улучшение основных характеристик СНС за счет реализации дифференциального режима и специальных систем контроля работоспособности СНС и оперативной передачи данных о целостности, указанные системы смогут удовлетворить основные требования морских потребителей к будущей глобальной навигационной спутниковой системе.
Находящиеся в эксплуатации спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS в 1996 г. были одобрены ИМО в качестве компонентов Всемирной радионавигационной системы.
2. Принцип работы ГЛОНАСС
В ГЛОНАСС применяются КА на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью земли. Период обращения КА-11 часов 15 минут. Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты КА атомных стандартов частоты в системе обеспечивается взаимная синхронизация радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой. На подвижном объекте принимаются сигналы не менее чем от четырех радиовидимых спутников и используется для измерения не менее четырех псевдодальностей и радиальных псевдоскоростей. Результаты измерений и «эфемеридная информация», принятая от каждого КА, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости, а также смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени КА.
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:
горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения. Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Радиосигналы верхнего диапазона частот НКА ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию. Служебная информация накладывается на узкополосный дальномерный сигнал путем инвертирования открытого дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек.: первые 0,3 сек. предназначены для метки времени, остальные 1,7 с предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек.) Пять кадров навигационной информации объединяются в суперкадр. В составе каждого кадра передается полный объем цифровой информации, относящейся к данному HKA и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передается одним суперкадром. Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:
признак достоверности информации в кадре;
время начала кадра;
эфемеридную информацию — координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to;
частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ;
время to (кратно 30 мин. от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотно-временные поправки.
Альманах системы содержит:
время, к которому относится альманах;
параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ;
поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны (единой системы времени).
В "acronym" не предполагается введение селективного доступа. Одновременно, за счет частотного разделения каналов в ГЛОНАСС обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность.
Согласно статистике, в годы солнечной минимальной активности в ГЛОНАСС по 6 НКА по открытому дальномерному коду СКО ошибок определения широты и долготы составляет 20-28 м, а высоты 40-52 м, что в 2,5 раз меньше, чем для GPS при тех же условиях.
3. Общий принцип работы GPS
В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить. Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13-10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты в течение процедуры измерений.
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника Dt. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
В состав системы входят:
созвездие ИСЗ (космический сегмент);
сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).
1. Космический сегмент состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер. Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 - только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.
Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:
обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;
создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);
реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.
2. Сегмент управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.
Рис. 2. Наземные станции слежения за спутниками
Заключение
В этой работе мы ознакомились с историей возникновения радионавигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, с общим принципом их работы и в каких областях они применяются.
Спутниковые системы местоопределения GPS и ГЛОНАСС разрабатывались как чисто навигационные системы, и эти функции они выполняют блестяще. Но эксплуатация навигационных спутниковых систем, в первую очередь GPS, показала неоценимые возможности систем GPS и ГЛОНАСС в определении высокоточных координат для геодезии, геофизики, космоса, авиации и т.д. Спутниковые навигационные системы открывают новые возможности для их использования в различных областях: поиске и спасении терпящих бедствие; предупреждении о катастрофах; сборе данных о состоянии окружающей среды; контроле контейнерных перевозок; навигации и управлении околоземными космическими аппаратами; обеспечении работ в геодезии и картографии; прокладке коммуникаций; геологоразведочных работах, разработке месторождений полезных ископаемых, включая участки прибрежных шельфов, и др.
Список использованной литературы
Богданов В.А., Сорочинский В.А., Якшевич Е.В. "Спутниковые системы морской навигации" – М.: Транспорт, 2014 г.Баранов Ю.К. "Определение места судна с помощью навигационных спутников" - М.: Транспорт, 2016 г.
Журнал «Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации», №4, 2016 г.
Размещено на Allbest.ru