Лекция 12 Спутниковая навигационная система

Спутниковая навигационная система - это радионавигационная система, в которой роль опорных радионавигационных точек (РНТ) выполняют навигационные искусственные спутники Земли (НИСЗ), несущие навигационную аппаратуру.

В 60-х годах были созданы СНС первого поколения "Цикада" (СССР) и "Транзит" (США), с конца 60-х годов создаются СНС второго поколения: Global Positioning System (GPS) "Navstar" (США), Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС (СССР). К началу 90-х годов было объявлено о предоставлении обеих систем для международного использования в интересах гражданских потребителей, и были опубликованы их основные характеристики в интерфейсных контрольных документах обеих систем.

Навигационные определения стали непрерывными и глобальными, возможными в любое время и в любой точке Земли и околоземного пространства. СНС второго поколения обеспечивают практически мгновенную выдачу определяемых параметров. В США использование на воздушных судах спутниковых навигационных систем регламентировано соответствующими федеральными актами. Так, в 1995 г. Федеральное авиационное управление (FAA) приняло постановление об использовании этого бортового средства в качестве основного на трансокеанских маршрутах и над безориентирной местностью.

В нашей стране на самолетах и вертолетах появилось значительное количество спутниковых приемоиндикаторов различных фирм. Наибольшее распространение получили приборы фирм Trimble Navigation Ltd, (Flightmate, TNL-1000/1000DC, TNL-2000A/ 2000T/2000Approach), Bendix King (KLN-90/ 90A/90B, KLN-89), Garmin (GPS-95, GPSMAP-195, GPS-100, GPS-155, GPS-165), IIMorrow (Apollo-920, Precedus).

Спутниковые радионавигационные системы включают в себя три подсистемы: космических аппаратов, контроля и управления и подсистему потребителей.

Подсистема космических аппаратов (ПКА) - это совокупность навигационных спутников, движущихся по определенным орбитам, излучающих навигационные сигналы и передающих значительный объем служебной информации. Основные параметры спутниковых группировок систем GPS и ГЛОНАСС приведены в табл.2.3.

Подсистема контроля и управления (ПКУ) - это совокупность наземных средств, служащая для сбора информации от навигационных спутников, ее обработки и передачи информационных сообщений на борт НИСЗ для коррекции их работы.

Подсистема потребителей включает все многообразие типов спутниковой навигационной аппаратуры, используемой в различных целях.

Принцип работы СНС заключается в измерении времени распространения сигнала от i -го спутника до потребителя и вычислении дальностей r_mi (называемых псевдодальностями) до спутников:

; (2.9)

,

где - время, затрачиваемое на прохождение пространства между спутником и потребителем; - сдвиг временной школы приемника относительно временной системной шкалы; с - скорость распространения электромагнитных колебаний.

Таблица 2.3. Основные параметры спутниковых группировок систем GPS и ГЛОНАСС

Система	Число	Наклон орбит,°	Период обращения	Высота орбит, км
общее спутников	орбитальных плоскостей	спутников в плоскости
GPS "ГЛОНАСС"				55,2 64,8	11 ч 57 мин 11 ч 15 мин	20 180 19 100

Псевдодальность определяется координатами спутника и пользователя, погрешностью часов пользователя и другими погрешностями измерений:

ε_i, (2.10)

где - точное значение дальности спутника;

x_si, y_si, z_si и x,y,z - координаты соответственно спутника и пользователя; ε_i - погрешности измерения дальности, обусловленные погрешностями координат i -го спутника, влиянием условий распространения сигнала и другими причинами.

Имея не менее четырех измерений псевдодальностей (2.10), можно определить координаты пользователя x,y,z и сдвиг временной шкалы приемника. Координаты спутников x_si, y_si, z_si вычисляют для любого требуемого момента времени, используя их эфемериды. Эфемериды - это точно рассчитанные наземным командно-измерительным комплексом и переданные на борт спутника для хранения и передачи в составе навигационного сигнала данные, характеризующие положение спутника на фиксирование моменты времени.

Измерение доплеровских сдвигов частоты несущей позволяет определять радиальные составляющие скорости спутников относительно потребителя:

ε_i; (2.11)

, ,

где - погрешность определения радиальной скорости, обусловленная сдвигом частоты опорного генератора приемника ; ε_i - прочие погрешности измерений скорости; - измеренный доплеровский сдвиг частоты несущей; λ_n- номинальное значение длины волны несущей.

Из этих уравнений определяются скорости , , и .

Для формирования навигационного сигнала спутника высокочастотная несущая подвергается фазовой манипуляции навигационным кодом, который является суммой дальномерного кода и кода двоичной служебной информации, необходимой для обеспечения работы системы (рис.2.11).

Рис.2.11.Пример фазоманипулированного сигнала	Рис.2.12. Измерение времени распространения сигнала

Частота несущей определяется возможностью прохождения сигнала через атмосферу Земли и принятыми международными соглашениями об использовании радиочастот. В соответствии с этим в системе GPS для канала открытого доступа принята частота несущей L₂ =1575,42 МГц, а для закрытого (военного) канала частота несущей L₂ = 1227,6 МГц. В системе GPS принято кодовое разделение сигналов спутников. Каждый из них излучает только ему присущий навигационный код.

В системе ГЛОНАСС использован частотный принцип разделения сигналов; предусмотрены две частотные полосы - открытая и закрытая (i = 1, 2), и каждый j - й спутник излучает сигналы на своих двух частотах:

,

где f_ij - номиналы литерных частот; f_i0 - первая литерная частота (f₁₀ = 1602 МГц, f ₂₀ = 1246 МГц); - интервал между литерными частотами (=0,5625 МГц, =0,4375 МГц); j = 0, 1, 2..., 24 – номера литеров.

Весь передаваемый объем данных группируется в кадры. В одном кадре передастся вся информация о данном спутнике и часть всего альманаха (относительно грубые данные о параметрах орбит спутников) системы. По этой причине для сбора полного альманаха требуется прием нескольких кадров, совокупность которых по существу образует один суперкадр, длительность которого составляет 12,5 мин для системы GPS и 2,5 мин для ГЛОНАСС. Этим объясняется продолжительность времени для первоначального местоопределения (когда в памяти приемника отсутствует альманах).

Точностные характеристики системы GPS приведены в табл.2.4. Погрешности системы ГЛОНАСС сопоставимы с погрешностями системы GPS при выключенном режиме S/A (ограничение доступности).

Погрешности определения навигационных параметров зависят от геометрических свойств системы спутники - приемник и характеризуются геометрическим фактором. Различают несколько видов геометрических факторов, определяющих коэффициенты ухудшения точности DOP (Dilution Of Precision) измерения: горизонтальных координат HDOP, высоты VDOP; пространственного местоположения PDOP, времени TDOP и суммарный GDOP. Все геометрические факторы можно определить через отношение соответствующих средних квадратических погрешностей:

; ;

; ;

,

где - среднее квадратическое отклонение (СКО) определения горизонтальных координат - широты φ и долготы λ; σ_в, σ_t- СКО определения высоты и времени; - СКО определения пространственного местоположения объекта; - СКО определения четырехмерного пространственно-временного вектора местоположения; - СКО измерения дальностей по n используемым спутникам; σ _{d i} - СКО измерения дальности i -го спутника.

Существенное повышение точности навигационных определений обеспечивается при использовании дифференциального режима измерений. Дифференциальный режим работы СНС позволяет потребителям не только снижать погрешности местоопределения до нескольких метров, но и контролировать доступность сигналов спутников и целостность системы. Благодари повышению точности и надежности СНС в дифференциальном режиме ее можно использовать при заходах на посадку по всем категориям сложности, вплоть до категории CAT III.

Для реализации дифференциального режима СНС дополняется дифференциальной подсистемой. Она состоит из контрольно-корректирующей станции (ККС), добавленной к наземному сегменту СНС и размещенной в бортовой части специального устройства приема и обработки дифференциальных поправок для спутникового приемника. В основе дифференциального режима определения координат лежит формирование разности отсчетов бортового и наземного приемников. При этом большая часть пространственно-коррелированных погрешностей компенсируется. Поскольку ККС могут обеспечить требуемую точность коррекции в ограниченной области, то для реализации дифференциального метода на обширных территориях должны быть размещены несколько таких станций.

Таблица 2.4. Погрешности GPS и дифференциального режима DGPS

Источники погрешностей определения псевдодальностей	С/А код S/А вкл.	С/А код S/А выкл.	Р-код	Дифф. GPS
Погрешности часов спутника Погрешности эфемерид Ионосферные задержки Тропосферные задержки " Шум" схемы приемника Многолучевость сигналов Ограниченный доступ к S/А Суммарная погрешность определения псевдодальностей Средний горизонтальный геометрический фактор HDOP Средняя погрешность определения координат, 95% Средний вертикальный геометрический фактор VDOP Средняя погрешность определения высоты, 95%	0,5 1,5 1,5 2,2	0,5 1,5 1,5 2,2	0,3 1,5 2,2	0,5 1,5 1,6 1,5 2,2
Примечание: 1.Погрешности псевдодальностей приведены для значения 1σ (СКО) 2.Все значения даны в м.

Применение спутниковой аппаратуры гражданскими потребителями позволит за счет повышения точности и надежности навигационно-временного обеспечения повысить безопасность и уменьшить стоимость эксплуатации воздушных, морских, наземных и космических ЛА. Для воздушных ЛА глобальность действия систем ГЛОНАСС и GPS позволят улучшить зональную и общую навигацию ЛА, увеличить плотность воздушного движения, уменьшить перегруженность основных аэропортов и лучше использовать запасные аэродромы. При наличии соответствующих каналов связи СНС могут быть применены для предупреждения столкновений и управления воздушным движением.

Дата добавления: 2013-12-14