Общие сведения о космических навигационных системах

.

Зона радиовидимости КА с судна

Рис 4

В зависимости от угла наклона (i) орбиты подразделяются на экваториальные (i = 0°), полярные (i= 90°) и наклонные (0°< i < 90° или 90< i <180°). За время одного оборота спутника вокруг Земли сама Земля в сво­ем суточном движении повернется вокруг оси на угол порядка 26° (при Н = 1100 км).См Рис 2. Один низколетящий спутник на полярной орбите при своем обращении вокруг Земли последовательно появляется над всеми ее точками, т. е. обеспечивает полный (100%-ный) охват земной поверхности. Естественно, при этом низколетящий спутник способен обеспечить лишь дискретные обсервации. Дискретность их в лучшем случае равна периоду обращения ИСЗ вокруг Земли. Если за это время вследствие поворота Земли вокруг оси судно окажется за пределами полосы видимости, дискретность обсерваций скачкообразно увеличи­вается до 10—12 ч, в течение которых Земля повернется на пол-оборо­та, вновь приблизив меридиан наблюдателя к плоскости орбиты, не­подвижной относительно инерциального пространства. Для уменьше­ния дискретности обсерваций и придания ей более равномерного ха­рактера, на равноудаленные по долготе полярные орбиты выводят не один, а несколько ИСЗ, которые поочередно появляются в зоне ви­димости судна.

Продолжительность наблюдения каждого спутника определяется, высотой орбиты, которая обусловливает размеры зоны видимости и скорость ее перемещения по земной поверхности, а также удалением судна от трассы движения ИСЗ: если судно находится на трассе, зона видимости будет пересекаться по диаметру и продолжительность на­блюдения ИСЗ будет наибольшей (до 18 мин при Н — 1100 км); если судно удалено от трассы на некоторое расстояние, то зона видимости будет пересекаться уже не по диаметру, а по хорде, что значительно сокращает продолжительность наблюдения

Спутник, выведенный на синхронную (Н= 35 870 км) экватори­альную орбиту, получил название стационарного, так как он неподвижно «висит» над заданной точкой земной поверхности. Его зона видимости не смещается; в пределах этой зоны ИСЗ может на­блюдаться непрерывно в течение неограниченного интервала времени. При выводе на орбиту трех стационарных ИСЗ с разностью долгот 120° с любого меридиана земного шара всегда будет виден один из них. Так как для определения места судна по стационарным ИСЗ необхо­димо иметь в зоне видимости по крайней мере два спутника, минималь­ное для навигационной спутниковой системы число стационарных ИСЗ равно пяти с разностью долгот 72°. При этом широты φ > 81,3° не попадают в зону видимости.

Навигационный искусственный спутник Земли (НИСЗ) можно представить как навигационный ориентир, поднятый на высоту не­скольких тысяч километров над поверхностью Земли и движущийся вокруг нее по своей орбите. Принципиальной основой использования ИСЗ в качестве навигационного ориентира является закономерный характер их движения, позволяющий предвычислять положение ИСЗ в пространстве на момент обсервации. Вывести ИСЗ на строго круго­вую орбиту практически невозможно. Правильная эллиптическая орбита ИСЗ характеризуется уже не двумя, а шестью элементами: большая и малая полуоси орбиты (либо большая полуось и эксцентри­ситет); угол наклона орбиты к плоскости экватора; долгота восходя­щего узла орбиты; аргумент перигея; время прохождения спутника через перигей. Зная эти «кеплеровские элементы орбиты», можно одно­значно рассчитать положение спутника в пространстве на любой за­данный момент времени.(эфемеридная информация 1 рода).

Однако реальная траектория движения ИСЗ также не является строго эллиптической: под действием различных возмущений спутник постоянно выходит как за пределы очередного эллипса в плоскости орбиты, так и из плоскости орбиты, которая в свою очередь также не­прерывно изменяет свои параметры. Поэтому на практике расчет ко­ординат ИСЗ выполняется для правильной эллиптической орбиты, наиболее близкой к реальной траектории, а возмущения орбиты учи­тываются с помощью специальных поправок. Требования к точности расчета координат ИСЗ определяются требуемой точностью обсерва­ций: так как место судна определяется относительно спутника, точ­ность такой навигационной системы принципиально не может быть выше, чем:точность определения координат самих ИСЗ на момент на­вигационных измерений.

Таким образом, спутниковые радионавигационные системы (СРНС) отличаются от обычных РНС тем, что их Опорные точки (ИСЗ) не фик­сированы на земной поверхности, а закономерно движутся в окблоземном пространстве. Как и наземные РНС, по виду измеряемого навигационного параметра СРНС подразделяются на угломерные (измеряется угловая высота и азимут спутника), дальномерные, радиально-скоростные, разностно-дальномерные….. Как и в наземных РНС, навигационный параметр получают путем из­мерения и обработки радионавигационного параметра; по виду которого СРНС подразделяются на амплитудные, фазовые, импульсные, частотные. Частным видом частотных систем являются доплеровские, когда измеряемым радионавигационным параметром является не собственно частота, а ее изменение вследствие относительного перемещения судна и ИСЗ.

По объему выполняемых фунций спутниковые системы подразделяются на навигационные, предназначенные исключительно для оп­ределения места судна, системы связи, системы метеорологической информации, поисково-спасательные системы, системы управления морским и воздушным движением и т. п., а также комбинированные системы, которые позволяют выполнять одновременно несколько функ­ций.

На судах морского флота для определения места используются спутниковые РНС доплеровского типа: отечественная система «Цика­да» на спутниках серии «Космос-1000» и американская система «Тран­зит».

В настоящее время в РФ и США внедрена разработка спутниковых РНС второго поколения на базе ИСЗ на средневысоких орбитах (Н = 20 тыс. км). Для отработки элементов и аппаратуры СРНС, созда­ваемой в целях обеспечения определения местонахождения самолетов гражданской авиации и судов морского и рыболовного флота, в СССР 12 октября 1982 г. запущены ИСЗ «Космос» с Н = 19 100 км, I = 64,8°,

Т = 11 ч 13 мин.

В РФ вопросы развития и использования спутниковых систем координирует Всесоюзное объединение «Морсвязьспутник».

1. Спутниковая РНС 1 поколения «Цикада».

СПУТНИКОВАЯ РНС ДОПЛЕРОВСКОГО ТИПА

Все спутниковые РНС доплеровского типа работают на одних и тех же принципах.

Глобальная пассивная всепогодная СРНС «Цикада» представля­ет собой сложный радиотехнический комплекс, включающий 5—6 ИСЗ на приполярных орбитах, близких к круговым, с высотой 1030— 1100 км (рис.), сеть наземных станций обеспечения и неограничен­ное число бортовых приемоиндикаторов. Искусственные спутники, обращающиеся вокруг Земли с периодом 105 мин имеют на борту си­стему питания, два передатчика, работающих на частотах 150 и 400 МГц, стандарт точного времени и частоты, блок памяти для хранения эфемеридной информации о положении спутника на орбите, приемо-передающие устройства командной и телеметрической инфор­мации, а также программно-временное устройство, координирующее работу всех бортовых систем. Передача сигналов со спутника ведется трехминутными «блоками», каждый из которых содержит всю информацию, необходимую для расчета ко­ординат ИСЗ на момент начала дан­ного блока.

Информация состоит из двух частей — «постоянной» и «перемен­ной». Постоянная часть служит для расчета координат ИСЗ на пра­вильной эллиптической орбите, пе­ременная часть содержит поправки к большой полуоси и истинной ано­малии ИСЗ для учета отклонений реальной траектории от правиль­ного эллипса. Начало каждого «бло­ка» определяется передачей со спутника непрерывного немодулированного сигнала, который синхронизирован с системой все­мирного времени (ПТС) с точностью до 200 мкс. Таким образом, на­вигационный ИСЗ системы «Цикада» одновременно является носите­лем навигационной информации, информации о своих координатах на обусловленные моменты времени (начало каждой четной минуты по Гринвичу) и датчиком сигналов точного времени.

Наземный комплекс входит в состав СРНС «Транзит» для обеспе­чения бесперебойного функционирования ИСЗ и включает в себя сеть станций слежения, координационно:вычислительный центр, станцию ввода командной информации. Расположенные на территории РФ станции слежения, координаты которых точно известны, с появлением ИСЗ в зоне видимости производят измерения доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) принимаемого со спутника сиг­нала, а также проверку передаваемых со спутника сигналов точного времени по данным морской обсерватории. Серии измеренных значе­ний ДСЧ и ошибки сигналовточного времени передаются на коорди­национно-вычислительный центр, который является «мозгом» всей системы. Здесь по измеренным значениям ДСЧ и известным коорди­натам станций слежения рассчитываются элементы орбиты ИСЗ, предвычисляется траектория его движения на 12—16 ч вперед и на этой основе составляется таблица постоянной и переменной информации, которую следует ввести в блок памяти ИСЗ. По величине и знаку оши­бок в сигналах точного времени рассчитывается коррекция бортовых часов ИСЗ. Все эти данные передаются на станцию ввода командной информации. Как только данный ИСЗ в очередной раз появится в зоне видимости этой станции в блок его памяти вводится новая таблица постоянной и переменной информации, а бортовые часы выставляются заново и регулируются по скорости их ухода.

Приемоиндикатор установленный на борту судна обеспечивает прием сигналов ИСЗ; запись и обработку исходных На основе полученных данных ЭВМ рассчитывает координаты ИСЗ на момент каждого измерения, обсервованные значения навигационного пара­метра по измеренным отсчетам ДСЧ и в конечном итоге — обсервован­ные координаты судна, которые выводятся на цифровой индикатор-дисплей или печатаются на телетайпной ленте.

Определение места судна по измерениям доплеровского сдвига ча­стоты может быть выполнено одним из двух методов,— дифферен­циальным или интегральным. Основным способом определения места судна является интегральный. Интегральный доплеровский метод по своей гео­метрической сущности является разностно-дальномерным. Базой си­стемы служит расстояние между двумя последовательными положе­ниями спутника на орбите в моменты начала и конца интервала ин­тегрирования.

Рис №5

Рис№6

Как видно из рисунка 6 при определении места судна видна ситуация многозначности, которая в данном конкретном случае решается с учетом счисления.

Дата добавления: 2014-01-04