Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Институт начального и среднего профессионального образования

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

История и развитие систем глобального позиционирования. Использование систем gps/глонас в современных геодезических изысканиях

Работу выполнилД. Т. Шавешов

Специальность 120101 Прикладная геодезия

Научный руководитель

Должность, ученая степень,

ученое звание А.С. Стебловский

Нормоконтролер

Должность, ученая степень,

ученое званиеА.С. Стебловский

Краснодар

2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Исторический экскурс создания систем глобального позиционирования

1.1 История создания и развития системы ГЛОНАСС (РФ)

1.2 История создания и развития системы GPS (США)

1.3 Системы глобального позиционирования других стран

1.3.1 Европейская навигационная система Galileo

1.3.2 Китайская навигационная система Beidou

2. Принципы и технологии работы систем глобального позиционирования

2.1 Основные элементы и принципы работы ГЛОНАСС

2.1.1 Подсистема навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС

2.1.2 Подсистема контроля и управления ГЛОНАСС

2.2 Основные элементы и принципы работы GPS

2.2.1 Подсистема навигационных космических аппаратов GPS

2.2.2 Подсистема контроля и управления GPS

2.3 Сравнение и недостатки систем ГЛОНАСС и GPS

3. Аппаратура потребителей и сферы применения систем глобального позиционирования

3.1 Аппаратура потребилей систем глобального позиционирования

3.1.1 Приёмники

3.1.2 Трекеры

3.1.3 Логгеры

3.2 Сферы применения систем глобального позиционирования

3.3 Использование систем GPS/ГЛОНАСС в современных геодезических изысканиях

3.4 Использование систем GPS/ГЛОНАСС для построения геодезический сетей

3.4.1 Построение глобальной опорной геодезической сети

3.4.2 Построение континентальных опорных геодезических сетей

3.4.3 Построение государственной геодезической сети России на основе спутниковых технологий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Исторически для пространственного ориентирования человек использовал небесные светила. Мореплаватели ориентировались по звездам, Луне и Солнцу. По ним они определяли направление движения, а зная время в пути и среднюю скорость движения, можно было сориентироваться в пространстве и определить расстояние до конечного пункта назначения. Однако при плохих погодных условиях данный метод определения местоположения не работал, и можно было легко сбиться с курса.

С появлением компаса задача значительно упростилась: увеличилась точность определения направления и уменьшилась зависимость от погоды. Позднее для определения местоположения, в частности в океане, использовались угловые наблюдения небесных тел. Вначале сам термин «навигация» относился исключительно к управлению морскими/речными судам (navis, означающее «корабль», и agere -- управлять, передвигать), затем этот термин стал применяться к любому виду транспортных средств. Вот как этот термин трактовался в книге «American Practical Navigator». изданной в 19 веке: «Навигация -- это процесс управления движением транспортного средства, быстрый и безопасный, из одной точки в другую». Советский энциклопедический словарь дает следующее определение термина: навигация -- наука о способах выбора пути и методах вождения судов, летательных аппаратов (воздушная навигация или аэронавигация) и космических аппаратов (космическая навигация). Основными задачи навигации является нахождение оптимального маршрута (траектории), определение местоположения, направления и значения скорости и других параметров движения объекта.

Таким образом, одним из наиболее важных и практически заметных научно-технических достижений 20 в. стало создание спутниковых радионавигационных систем (СРНС) - ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США). В современной научно-технической литературе ГЛОНАСС, GPS, а также сходные с ними по параметром ГНСС, создаваемые другими странами, объединяют под общим названием «Глобальная навигационная спутниковая система» (ГНСС), в англоязычной литературе - Global navigation satellite system (GNSS).

Введенные в эксплуатацию в конце 1950-х годов, эти системы первоначально предназначались для решения задач местоопределения динамичных объектов военного назначения. Однако полученный в процессе испытаний и эксплуатации ГНСС результат и опыт показал, что создаваемое этими системами глобальное навигационно-временное покрытие позволяет обеспечивать не только высокоточную навигацию подвижных средств, но и решать на принципиально новой основе широкий круг других прикладных задач, которые при проектировании данных систем изначально не рассматривались

В настоящее время ГНСС нашли своё применение во множестве сфер жизнедеятельности человека. Например: геодезические изыскания, морская, автомобильная, авиа- и туристическая навигация, медицина, сельское хозяйство, чрезвычайные ситуации и строительство. Сотни фирм во всем мире выпускают миллионы экземпляров аппаратуры потребителей (АП) ГНСС различных классов, в том числе недорогие малогабаритные приборы для индивидуальных пользователей. В результате АП ГНСС, наряду со средствами мобильной связи и другими новейшими достижениями радиоэлектроники, стала не только средством профессиональной деятельности, но и предметом личного использования.

Целью дипломной работы является рассмотрение основных этапов исторического развития, технологий работы и применения глобальных навигационных спутниковых систем, изучение сфер применения.

1. Исторический экскурс создания систем глобального позиционирования

1.1 История создания и развития системы ГЛОНАСС (РФ)

В декабре 1976 г. было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О развертывании Единой космической навигационной системы ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система)". Это постановление де факто узаконило уже начавшиеся работы по созданию новой системы и определило порядок ее разработки и испытаний. Технические предложения по системе ГЛОНАСС в составе КА 11Ф654 "Ураган" были разработаны в красноярском НПО прикладной механики (НПО ПМ) в начале 1976 г. и рассмотрены межведомственной комиссией в августе того же года.

Создание этой навигационной системы было предопределено потребностями новых потенциальных потребителей, прежде всего военных, нуждавшихся в высокоточной привязке своего положения во времени и пространстве.

В 1976 г. на вооружение Советской Армии была принята навигационно-связная система "Циклон-Б" в составе шести космических аппаратов "Парус", обращающихся на околополярных орбитах высотой 1000 км. Позже, через три года была сдана в эксплуатацию спутниковая радионавигационная система (СРНС) "Цикада" в составе четырех космических аппаратов на орбитах того же класса, что и у КА "Парус". И если первая система использовалась исключительно в интересах Министерства обороны СССР, то вторая предназначалась, главным образом, для навигации гражданских морских судов. Оснащение спутниковой навигационной аппаратурой судов торгового флота оказалось очень выгодным, поскольку благодаря повышению точности судовождения удавалось настолько сэкономить время плавания и топливо, что бортовая аппаратура потребителя окупала себя после первого же года эксплуатации.

В ходе испытаний этих и предшествовавшей им системы "Циклон" было установлено, что погрешность местоопределения движущегося судна по навигационным сигналам этих спутников составляет 250-300 м. Выяснилось также, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутникам собственных эфемерид, которые рассчитываются и закладываются на борт КА средствами наземного комплекса управления (НКУ).

С целью повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами НКУ, разработаны более точные методики прогнозирования. Для выявления локальных особенностей гравитационного поля Земли, оказывающих воздействие на выбранные орбиты навигационных космических аппаратов (НКА), на такие же орбиты были запущены специальные геодезические спутники "Космос-842" и "Космос-911". Комплекс принятых мер позволил уточнить координаты измерительных средств и вычислить параметры согласующей модели гравитационного поля, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров движения НКА. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок, так что их погрешность на интервале суточного прогноза не превышала 70-80 м. Как следствие, погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80-100 м.

Однако выполнить требования всех потенциальных классов новых потребителей низкоорбитальные системы не могли в силу принципов, заложенных в основу их построения. Так, если для неподвижных потребителей, имеющих двухканальную приемную аппаратуру, погрешность определения местоположения удалось снизить до 32 м (данные для СРНС "Транзит"), то при движении погрешности сразу же начинают возрастать из-за неточности счисления пути - низкоорбитальные СРНС не позволяли определять скорость движения. Более того, по получаемым измерениям можно определить только две пространственные координаты. Вторым недостатком низкоорбитальных систем было отсутствие глобальности покрытия, поскольку, например, на экваторе спутники проходили через зону видимости потребителя в среднем через 1.5 часа, что допускает проведение только дискретных навигационных сеансов. Наконец, ввиду использования в сеансе лишь одного НКА продолжительность измерений может доходить до 10-16 мин. Большая длительность сеансов и значительные интервалы между ними делают неизбежным применение специальных мероприятий для счисления пути. При этом ошибки счисления и ограничивают точность местоопределения. Тем не менее была испытана самолетная аппаратура применительно к сигналам как системы "Транзит", так и "Цикада". При этом подтвердилось, что погрешность определения местоположения слабо зависит от маневров самолета и действительно определяется преимущественно погрешностями знания путевой скорости, не выходя за пределы 1,8 км.

СРНС второго поколения изначально проектировались как системы, которым все перечисленные недостатки не свойственны. Главным требованием при проектировании было обеспечение потребителю в любой момент времени возможности определения трех пространственных координат, вектора скорости и точного времени, что достигается путем одновременного приема сигналов от как минимум четырех НКА. В конечном итоге, это привело к реализации важной технической идеи - координации пространственного положения НКА на орбитах и координации по времени излучаемых спутниками сигналов. Координация движения всех НКА придает системе сетевые свойства, которых она лишается при отсутствии коррекции положения НКА.

В качестве орбит для новой системы первоначально были выбраны средневысокие (20000 км) полусуточные орбиты, которые обеспечивали оптимальное соотношение между количеством космических аппаратов в системе и величиной зоны радиообзора. Однако впоследствии высота рабочей орбиты была уменьшена до 19100 км. Это было сделано исходя из того, что для спутников, имеющих период обращения, равный половине суток, проявляется резонансный эффект влияния геопотенциала, приводящий к достаточно быстрому "разрушению" заданного относительного положения НКА и конфигурации системы в целом. Очевидно, что в этом случае для поддержания системы пришлось бы чаще проводить коррекции орбиты каждого спутника. При выбранной высоте орбиты для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников их количество в системе должно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность. Следует отметить, что в настоящее время это требование потеряло актуальность, поскольку современная стандартная навигационная аппаратура потребителя (АП) имеет возможность принимать сигналы от 8 до 12 спутников в зоне радиовидимости одновременно, что позволяет не заботиться о выборе оптимальной четверки, а просто обрабатывать все принимаемые измерения.

Одной из главных проблем создания СРНС, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд, нс), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов всего в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10-15 м. Для решения задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовалась установка на спутниках высокостабильных цезиевых стандартов частоты и наземного водородного стандарта (на порядок более стабильного), а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3-5 нс.

В 1977-78 гг. в научно-производственном объединении прикладной механики (НПО ПМ) имени академика М.Ф. Решетнёва проводилось эскизное проектирование системы, материалы которого были одобрены в сентябре 1978 г. межведомственной комиссией под председательством генерал-майора И. В. Мещерякова. Тактико-техническое задание на систему ГЛОНАСС было согласовано с главнокомандующими всех видов Вооруженых Сил и министерствами: Минобщемашем, Минрадиопромом, Минавиапромом, Миноборонпромом, Минморфлотом, Минрыбхозом, Минсудпромом и Министерством гражданской авиации. В ноябре 1978 г. ТТЗ было утверждено Министром обороны СССР.

Однако к тому времени из-за слишком долгого периода согласования задания были сорваны первоначальные сроки по развертыванию системы. Поэтому 29 августа 1979 г. по ГЛОНАСС вышло новое Постановление ЦК и совета министров СССР. В нем были установлены следующие сроки выполнения работ по системе:

- начало летных испытаний и создание системы из 4-6 КА "Ураган" для проверки основных принципов и технических характеристик -1981 год;

- создание системы из 10-12 КА "Ураган" (в двух орбитальных рабочих плоскостях) и сдача ее на вооружение в составе и с тактико-техническими характеристиками по согласованию между Минобороны, Минобщемашем и Минрадиопромом - 1984 год;

- дооснащение системы до 24 КА - 1987 год.

Однако и этот порядок и сроки пришлось еще раз уточнить в июле 1981 г. В новом Постановлении ЦК и совета министров сроком начала развертывания системы был назван 1982 г.

Летные испытания системы ГЛОНАСС были начаты 12 октября 1982 г. запуском первого КА 11Ф654 "Ураган" и двух габаритно-весовых макетов 11Ф654ГВМ. Затем в последующих шести запусках на орбиту выводились по два штатных спутника. Это было связано с неготовностью электронной аппаратуры спутников. Лишь с восьмого запуска в рамках развертывания системы ГЛОНАСС (16 сентября 1986 г.) на орбиту были выведены сразу три штатных КА. Дважды (10 января и 31 мая 1989 г.) вместе с двумя КА "Ураган" на орбиту выводились пассивные геодезические КА ПКА "Эталон", используемые для уточнения параметров гравитационного поля и его влияния на орбиты КА "Ураган".

Для отработки навигационной аппаратуры были изготовлены базовые комплекты по шесть штук каждого наименования для ВВС, ВМФ, СВ, МГА, ММФ и РВСН. Всего для летных испытаний было выделено 22 космических аппарата (9-10 запусков). Это число спутников было израсходовано к 16 сентября 1987 г. Однако к этому моменту система не была развернута даже для ограниченного использования (12 спутников в двух плоскостях). Лишь после запуска 4 апреля 1991 г. в составе ГЛОНАСС оказалось одновременно 12 работоспособных космических аппарата.

24 сентября 1993 г. первая очередь системы ГЛОНАСС была принята на вооружение. С этого момента стали проводиться запуски КА в третью орбитальную плоскость. 14 декабря 1995 г. после 27-го запуска "Протона-К" с "Ураганами" развертывание штатной конфигурации системы ГЛОНАСС было завершено. Всего с октября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 КА "Ураган" и восемь его габаритно-весовых макетов (ГВМ). За время развертывания системы шесть "Ураганов" оказались на нерасчетных орбитах из-за отказов разгонного блока 11С861.

В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось ужем в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков ракетоносителей, и вывести на орбиту 18 спутников -- таким образом, к концу 2009 года группировка вновь должна была насчитывать 24 аппарата. При этом точность определения местоположения пользователей системы достигнет 1-5 м, как у GPS. Фактически произведённые запуски представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Фактически произведенные запуски НКА [15]

Дата	Последние и планируемые запуски
26 октября 2007	РН «Протон-К» стартовал с Байконура и вывел на околоземную орбиту три модифицированных КА «Глонасс-М»
25 декабря 2007	С космодрома «Байконур» стартовал РН «Протон-М» и вывел на орбиту три КА «Глонасс-М». Запуск увеличил число работающих спутников до 16 (одновременно 4 спутника, запущенные в 2001--2003 годах, были выведены из группировки)
25 сентября 2008	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М» в каждом. Запуск увеличил число работающих спутников до 18 (1 спутник был выведен из состава группировки).
25 декабря 2008	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М»
14 декабря 2009	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М»
2 марта 2010	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М». Запуск увеличил число работающих спутников до 21 КА (плюс 2 КА в орбитальном резерве)
2 сентября 2010	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М». Число работающих спутников 21 КА (плюс 2 КА в орбитальном резерве и на 06.09.2010 3 КА на этапе ввода в эксплуатацию)
5 декабря 2010	Запуск РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М». В результате выведения разгонного блока с тремя КА на нерасчётную орбиту потеряны три аппарата «Глонасс-М»
3 октября 2011	Запуск КА «Глонасс-М» при помощи РН «Союз-2-1Б»
4 ноября 2011	Запуск трёх КА серии «Глонасс-М» РН «Протон-М»
26 апреля 2013	Запуск КА «Глонасс-М» при помощи РН «Союз-2-1Б», космодром Плесецк
2 июля 2013	РН «Протон-М» с тремя КА «Глонасс-М» взорвался после старта
сентябрь, октябрь 2013	два запуска с космодрома Плесецк при помощи РН «Союз»
24 марта 2014	Выведенен на орбиту спутник Глонасс-М № 54 с помощью ракеты-носителя Союз-2.1б
1 декабря 2014	Выведен на орбиту спутник Глонасс-К с космодрома Плесецк с помощью ракеты-носителя Союз-2.1б Это второй запуск спутника третьего поколения

В настоящее время орбитальная группировка глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС следующая [16]:

- всего в составе орбитальной группировки ГЛОНАСС: 28 КА;

- используются по целевому назначению: 24 КА;

- на этапе ввода в систему: 0 КА;

- временно выведены на техобслуживание: 0 КА;

- на исследовании главного конструктора: 2 КА;

- орбитальный резерв: 0 КА;

- на этапе лётных испытаний: 2 КА.

1.2 История создания и развития системы GPS (США)

Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range - навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.

Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5 лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху SA( selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. На рисунке 1 представлены графики ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.

Рисунок 1 Ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры - 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station - MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США - подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

глобальный позиционирование геодезический сеть

1.3 Системы глобального позиционирования других стран

1.3.1 Европейская навигационная система Galileo

Проект навигационной сети Galileo возник в 1999 году как плод совместных усилий всех европейских государств. США сразу же выступили против создания Galileo, так как опасались потери контроля над навигационными спутниками в зонах военных конфликтов. Давление со стороны Штатов привело к совершенно противоположному результату: многие страны решили выйти из-под зависимости от контролируемой Америкой сети GPS. Таким образом, проект Galileo за достаточно короткий срок получил все необходимые на реализацию средства. Полная стоимость проекта ориентировочно составляет 3 миллиарда долларов, в его финансировании помимо европейских государств участвует ещё и Китай.

Проект навигационной сети Galileo изначально ориентирован на гражданское использование и должен поддерживать большое количество разнообразных сервисов. Реализация проекта подразумевает два варианта его использования: открытый, т.е. бесплатный вариант OS (open service), будет транслировать сигнал по двум полосам частот (1164-1214 МГц и 1563-1591 МГц), что, в случае одновременного их использования, обеспечит точность навигации с погрешностью до 4-х метров. А в варианте CS (commercial service, или коммерческое использование), система будет транслировать сигнал ещё и по третьей, дополнительной полосе частот 1260-1300 МГц. При использовании трёхполосного сигнала и наземных трансляционных станций точность позиционирования достигнет значения погрешности менее 10 см.

Общее количество спутников системы Galileo: 30. Проектная дата завершения работ: 2011 год. Текущее состояние: первый спутник был запущен в декабре 2005 года, а первый сигнал системы Galileo был получен в январе 2006.

1.3.2 Китайская навигационная система Beidou

Изначально китайская навигационная система планировалась исключительно для военных нужд, однако китайское правительство вскоре изменило свою позицию, объявив, что сеть Beidou будет также работать и для гражданского населения, причём совершенно бесплатно. Это заявление спровоцировало небольшой конфликт с европейским сообществом, которое планировало продавать услуги собственной сети Galileo и ресиверы для приёма её сигнала китайцам. Однако возможно, что для Galileo ещё не всё потеряно: неизвестно, сможет ли сеть Beidou обеспечить такую же точность позиционирования, как Galileo.

Общее количество спутников системы Beidou: 35. Проектная дата завершения работ: покрытие Китая и частей сопредельных государств - к 2008 году, в дальнейшем - глобальное покрытие.

В итоге система была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет лишь к 2020 году. Китайские представители также отметили, что ещё предстоит урегулировать вопросы, касающиеся частотных диапазонов, с российской, американской и европейской сторонами, которые также владеют спутниковыми навигационными группировками. А пока китайская система работает на частоте сигнала B1, также отмеченный Евросоюзом как E2, с частотой 1559,052 -- 1591,788 МГц. Обе стороны до сих пор не достигли окончательной договорённости по вопросам совместимости своих будущих спутниковых навигационных систем, несмотря на продолжающиеся с 2009 года переговоры по вопросу наложения специальных сигналов системы Compass на специальные сигналы PRS системы Galileo (диапазон L1, центральная частота 1575,42 МГц).

2. Принципы и технологии работы систем глобального позиционирования

Принципиальная особенность систем глобального позиционирования заключается в том, что опорными радионавигационными точками (ОРНТ) в них являются навигационные космические аппараты (НКА) совершающие автономное орбитальное движение. Поэтому в отличие от региональных и местных навигационных систем наземного базирования, основными подсистемами которых являются аппаратура базовых станций и аппаратура потребителя, в комплекс глобальной навигационной системы обязательно входит еще одна подсистема - наземный комплекс управления (НКУ). Эта подсистема обеспечивает контроль и прогнозирование параметров орбиты НКА, контроль точности и коррекцию бортовых эталонов времени, дистанционный мониторинг исправности бортовой аппаратуры и управление режимами ее работы, составом, объемом и скоростью передачи служебной информации и пр. В настоящее время в структуру ГНСС входя три основные подсистемы [9]:

- подсистема навигационных космических аппаратов;

- подсистема контроля и управления (НКУ)

- подсистема аппаратуры потребителя (АП).

Кроме указанных подсистем в структуру ГНСС входят так называемые средства функциональных дополнений, т.е. специальная наземная аппаратура, используемая для обеспечения потребителям в определенном регионе или локальной области дополнительных возможностей, например повышения точности измерений за счет использования дифференциальных методов измерений.

Общие принципы взаимодействия отдельных подсистем и функциональных дополнений ГНСС иллюстрирует структурная схема, приведенная на рисунке 2.



Рисунок 2 Общая структура глобальной навигационной спутниковой системы

Более подробно принципы и особенности построения отдельных навигационных спутниковых систем рассмотрим ниже.

2.1 Основные элементы и принципы работы ГЛОНАСС

Полная орбитальная группировка в СРНС ГЛОНАСС содержит 24 штатных космических аппарата на круговых орбитах на высоте 19100км., в трех орбитальных плоскостях по восемь КА в каждой. Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой (г. Краснознаменск, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России.

Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом. Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска).

По новому, корректированному, проекту программы ГЛОНАСС спутниковая группировка системы будет состоять из 30 космических аппаратов, часть из которых будет находиться в рабочем резерве.

При доведении количества действующих спутников до восемнадцати, на территории России обеспечивается практически 100% непрерывная навигация. На остальной части земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов.

Практически непрерывная навигация по всей территории Земли обеспечивается при полной орбитальной группировке из двадцати четырёх действующих спутников.

Принцип определения позиции аналогичен американской системе NAVSTAR (GPS). В данный момент используются спутники типов ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М. С началом эксплуатации спутников нового поколения ГЛОНАСС-К планируется повысить точность определения координат до 5 метров.

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS состоят из трех основных сегментов: космического (спутники), наземного управления спутниками и навигационного оборудования конечных пользователей системы. Число пользователей навигационной системы GPS и ГЛОНАСС постоянно растет и на сегодняшний день очень многочисленно.

В системе ГЛОНАСС применяется разделение сигналов по частотам (FDMA), которые излучают искусственные спутники на две фазы. Первый сигнал имеет частоту в диапазоне L1 1600 МГц, а второй - частоту в диапазоне L2 1250 МГц. При нахождении пользователя с навигационным прибором ГЛОНАСС в зоне видимости спутника ему доступен сигнал с частотой в диапазоне L1 1600 МГц. Вторая частота используется исключительно для нужд военной навигации.

Система спутниковой навигации GPS применяет СDMA - кодовое деление сигналов, и так же имеет два диапазона частот L1 1575,42 МГц и L2 1227,6 МГц [8].

2.1.1 Подсистема навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС

Основное назначение навигационных спутников -- формирование и излучение жестко синхронизированных сигналов, которые используются потребителями для навигационных определений, а назначение навигационно-координационного центра - контроль функционирования бортовых систем и организация управления их работой. Соответственно, в состав бортовой аппаратуры входят передатчики и антенны навигационных сигналов и телеметрической информации, антенны и приемники данных и команд, передаваемых от подсистемы контроля и управления, бортовой эталон времени и частоты, блоки ориентирования, источники питания и различное вспомогательное оборудование. На НКА может также размещаться дополнительное оборудование, например детекторы обнаружения ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Согласно проекту, полная орбитальная группировка российской ГНСС ГЛОНАСС должна содержать 24 штатных НКА, размещенных на трех круговых орбитах, по восемь НКА в каждой (Рисунок 3). Отметим, что заданная точность навигационно-временных определений обеспечивается при наличии 21 НКА (по семь на каждой орбите), а полную функциональность система сохраняет при выходе из строя до шести НКА (по два на каждой орбите). Таким образом, полная группировка ГЛОНАСС содержит «горячий резерв» от трех до шести НКА.

Рисунок 3 Схема размещения спутников ГЛОНАСС на орбитах

Полномасштабные летные испытания ГНСС ГЛОНАСС начались в 1982 г. запуском спутника «Космос-1413». Первоначально разрабатывавшаяся как система военного назначения, ГНСС ГЛОНАСС в 1999 г. получила статус системы двойного (военного и гражданского) применения, ответственными за использование, поддержание и развитие которой являются Министерство обороны РФ и Российское космическое агентство. Соответствующими постановлениями Правительства РФ от 1995 и 1999 гг. определено, что ГНСС ГЛОНАСС в стандартном режиме может бесплатно использоваться в гражданских, коммерческих и научных целях любыми потребителями. Основным документом, устанавливающим взаимоотношения потребителей с системой, является Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. Развертывание орбитальной группировки до полного состава - 24 НКА - завершилось в 1995 г., однако затем из-за выработки ресурса НКА и отсутствия средств на запуск новых аппаратов произошла существенная деградация системы и в конце 1990-х годов число работоспособных НКА сократилось до 8-10 единиц. Для восстановления работоспособности системы в начале XXI в. была принята Федеральная целевая программа ГЛОНАСС, предусматривающая выделение необходимых средств на глубокую модернизацию и дальнейшее развитие российской ГНСС.

Спутники первого поколения ГЛОНАСС, имевшие гарантированный срок активного существования (САС) 3 года (фактический средний срок порядка 4,5 лет), заменяются аппаратами ГЛОНАСС-М (САС 7 лет), а в дальнейшем планируется переход на аппарат ГЛОНАСС-К (САС 10 лет). Согласно данным [1], основные характеристики перечисленных модификаций спутников приведены на рисунке 4.

Среди перечисленных направлений развития системы новым является реализация технологии автономной навигации. Для этого на НКА размещается бортовая аппаратура межспутниковых измерений, осуществляющая измерения расстояний между НКА и скоростей их относительного перемещения, а также средства межспутниковой связи и обмена данными. Результаты межспутниковых измерений позволяют дополнять и корректировать информацию, «загружаемую» с наземных контрольных станций и сохранять работоспособность системы при ее отсутствии.



Рисунок 4 Технические характеристики спутников орбитальной группировки ГЛОНАСС

Спутники ГЛОПАСС-С размещены на трех круговых орбитах. Наклонение орбитальных плоскостей составляет 64,8°, долготы восходящих узлов (точек пересечения экваториальной плоскости с полуплоскостями орбит, соответствующим движению НКА с юга на север) различаются на 120°. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты через 45°, а аргументы широты НКА в каждой из орбитальных плоскостях сдвинуты относительно соседней на ±15°.

Высоте круговых орбит, равной 19100 км над поверхностью Земли, соответствует поминальный период обращения равный 11 ч 15 мин 44 с [3, 11], не кратный периоду суточного вращения Земли. Орбиты с таким периодом, называемые несинхронными, менее чувствительны к возмущениям, обусловленным неоднородностью гравитационного поля Земли по сравнению с синхронными круговыми орбитами (12 ч 00 мин), используемыми в системе GPS [5, 6]. Действительно, след синхронной орбиты НКА на поверхности Земли раз в сутки проходит через одни и те же точки, поэтому картина возмущения орбиты неоднородностями гравитационного поля будет повторяться для каждого НКА, при этом заметно отличаясь от картины возмущений для всех других НКА. След же несинхронной круговой орбиты, благодаря вращению Земли, медленно (с периодом 7 сут 23 ч 27 мин 28 с) перемещается относительно поверхности Земли, при этом возмущения орбит для всех НКА в среднем практически одинаковы [3].

2.1.2 Подсистема контроля и управления ГЛОНАСС

Подсистема контроля и управления (НКУ) ГЛОНАСС включает в себя ряд взаимосвязанных элементов, важнейшими из которых являются:

- центр управления системой (ЦУС);

- центральный синхронизатор (ЦС); I

- контрольные станции (КС).

НКУ решает следующие основные задачи.

1. Проводит траекторные измерения для контроля, уточнения и прогнозирования параметров орбит (эфемерид) НКА.

2. Выполняет временные измерения для определения и прогноза отклонений БІІІВ, формируемых синхронизаторами всех НКА, относительно общесистемной шкалы времени (СШВ), формируемой ЦС.

3. Формирует массив служебной информации, содержащий прогноз эфемерид, поправки к бортовой шкале времени НКА, альманах и другие данные.

4. Обеспечивает передачу («закладку») этих данных в бортовой компьютер НКА для включения в навигационное сообщение, передаваемое потребителю, а также для коррекции БШВ (их синхронизации с СШВ).

5. Ведет радиотелеметрический контроль, диагностику и прогноз состояния бортовой аппаратуры НКА.

6. Выполняет мониторинг качества радионавигационных сигналов излучаемых НКА, с целью выявления возможных неисправностей и отклонений в работе бортовой аппаратуры; контролирует сдвиг фазы дальномерного сигнала НКА относительно фазы сигнала ЦС.

7. Осуществляет планирование, программное и командное управление полетом НКА и функционированием бортовых систем.

8. Планирует работу всех элементов НКУ, обработку и обмен данными между его элементами.

Далее рассмотрим основные функции, выполняемые составными частями НКУ.

Центр управления системой (ЦУС), соединенный каналами связи различных типов со всеми элементами НКУ, осуществляет планирование и координацию всех используемых в его работе средств. В том числе, НКУ на основе полученных данных прогноза эфемерид и частотно-временных поправок с помощью баллистического центра проводит расчет пространственно-временных характеристик группировки НКА. При этом используются данные системы единого времени, системы определения параметров вращения Земли, систем мониторинга гелио- и геофизической обстановки. Необходимо отметить, что требования к точности контроля параметров орбиты и синхронизации шкалы времени, которые должен обеспечить НКУ ГНСС, существенно выше, чем в любой другой области космонавтики, поскольку погрешности в этих параметрах непосредственно определяют итоговые погрешности координат. Погрешности определения и прогноза параметров орбиты не должны превышать 10 - 15 м, поэтому при расчетах необходимо учитывать такие факторы, как световое давление на НКА, влияние релятивистские; эффектов на гравитационное поле Земли, неравномерность вращения Земли и ее полюсов, а также наличие реактивных сил, связанных с азоотделением материалов покрытия НКА (в большинстве других приложений считается, что влияние этих факторов имеет второй порядок малости). По результатам многолетних наблюдений при наименее благоприятных условиях средняя квадратическая погрешность эфемеридных данных составляет по высоте 5 м. (СКО), вдоль орбиты 20 м (СКО), по нормали к плоскости орбиты 10 м (СКО). При благоприятных условиях погрешности по высоте и вдоль орбиты приблизительно в 2 раза меньше.

Центральный синхронизатор использует цезиевые бортовые независимые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 1*10-13, водородные наземные стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 1*10-14, а также наземные средства сличения шкал с погрешностью 3-5 нс. Эти требования обусловлены тем, что для ГНСС, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам необходима синхронизация бортовой шкалы времени и шкалы времени центрального синхронизатора с точностью до единиц наносекунд, поскольку рассинхронизации в 10нс соответствует! погрешность местоопределения порядка 10 - 15 м. Шкала времени центрального синхронизатора (СШВ) «привязана» к национальной шкале времени России UTC (SU) [5, 12].

Контрольные станции (КС) осуществляют траекторные и временные измерения, необходимые для формирования эфемеридной информации и оценки расхождений БШВ относительно СШВ, а также ведут прием телеметрической информации и передачу («закладку») информации на борт НКА. Отличие сети КС ГЛОНАСС от GPS состоит в том, что ее структура полностью обеспечивает функционирование системы с национальной территории. КС распределены по всей территории России (Рисунок 5), кроме того, на основе соответствующих договоренностей, могут использоваться КС, расположенные на территории СНГ Размещение сети КС обеспечивает проведение в течение суток по каждому спутнику 10-12 сеансов измерений; объем данных, получаемых в одном сеансе, составляет примерно 1 Кбайт. В стандартном режиме закладка на НКА высокоточных эфемерид и временных поправок производится 1 раз в сутки, хотя имеющаяся сеть КС позволяет делать это 2 раза в сутки. Сеть КС обладает достаточной избыточностью, поэтому выход из строя одной станции не приводит к ухудшению параметров системы. В наихудшем случае работоспособность системы ГНСС ГЛОНАСС может обеспечить ЦУС совместно с всего одной КС, однако при это интенсивность работы КС будет близка к предельно допустимой. При планировании работ на сутки определяются основные и резервные станции, при этом аппаратура всех станций имеет тройное резервирование (рабочий комплект, резервный комплект, комплект для регламентных и профилактических работ).

Рисунок 5 Расположение контрольных станций на территории России

Для периодической юстировки радиотехнических КС используются квантово-оптические станции (КОС) и лазерные дальномеры; для этого на НКА размещаются специальные оптические отражатели. Всего используется около 20 таких комплексов трех видов: лазерная дальномерная система «Гео-ИК», КОС «Эталон» и КОС «Майданак» (Узбекистан).

Еще одной составной частью контрольных станций ГЛОНАСС является аппаратура контроля поля (АКП) - высокоточная аппаратура потребителя, располагаемая в точках с эталонными координатами и оснащенная высокоточным эталоном времени. Аппаратура обеспечивает контроль точности решения навигационной задачи и качества информации, содержащихся в навигационных сообщениях НКА.

Режим контроля точности предусматривает решение навигационной задачи по каждому оптимальному созвездию спутников и сравнение результатов с эталонными координатами. В случае, если точность решения задачи не соответствует расчетной, могут приниматься следующие меры:

- передача на борт НКА команды о включении в кадр навигационной информации (НИ) признака непригодности сигнала НКА для проведения НВО;

- поиск причины аномальной работы с использованием телеметрической информации;

- пересчет и перезакладка на борт уточненной навигационной информации (прогноза эфемерид, часов и др.).

Режим контроля навигационного сообщения предусматривает сравнение измеренных значений псевдодальностей и псевдоскоростей со значениями, рассчитанными на основании прогнозов, содержащихся в НС по всем НКА, находящимся в зоне радиовидимости АКП. Одновременно контролируется отсутствие в НС сигнала запроса, формируемого бортовым компьютером в случае нештатной ситуации, выявленной в режиме самотестирования. Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС подтверждает, что перечисленных мер достаточно для поддержания расчетных характеристик навигационного поля.

2.2 Основные элементы и принципы работы GPS

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55° , расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц [8]. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Основы системы GPS в общем схожи с основами системы ГЛОНАСС, и базируется на спутниковой трилатерации, спутниковой дальнометрии и точной временной привязке.

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него. Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер. Третий спутник определяет две точки на окружности. Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый псевдослучайный код. Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние. Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника. Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников. Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться. Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом.

Когда GPS приёмник получает серию измерений, которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание.

Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

2.2.1 Подсистема навигационных космических аппаратов GPS

В США разработки концепции среднеорбитальной ГНСС второго поколения были начаты в 1970-е годы. Полномасштабные работы по созданию и испытанию ГНСС, в то время называвшейся NAVSTAR, начались в 1978 г. запуском четырех НКА. Полное развертывание ГНСС, в настоящее время официально именуемой GPS, завершилось в 1995 г.

Основным документом, регламентирующим использование системы, является Интерфейсный контрольный документ GPS, распространение которого возложено на компанию ARINC.

Штатная орбитальная группировка ГНСС GPS состоит из 24 основных НКА, расположенных на шести круговых орбитах. Дополнительно на некоторых орбитах могут находиться резервные НКА, предназначенные для сохранения параметров системы при выходе из строя основных НКА (Рисунок 6). Наклонение орбитальных плоскостей 55°; долготы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит около 20 ООО км соответствует период обращения равен 12 ч 00 мин, т. е. орбиты НКА GPS являются синхронными.

Рисунок 6 Схема размещения спутников GPS на орбитах

В процессе создания эксплуатации ГНСС GPS НКА подвергались неоднократной модернизации. Опытные НКА № 1-12 (Блок-I) были сконструированы так, чтобы поддерживать нормально работу без контакта с наземными средствами в течение 3-4 дней. НКА, предназначенные для регулярной эксплуатации, получили Наименование Блок-ІІ, Блок-IIR. НКА Блок-ІІ (№ 13-40) обеспечивает местоопределение без контакта НКУ в течение 14 дней. WKA Блок-IIR (№ 41-66) должен обеспечивать местоопределение без контакта с НКУ по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-ІІ и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации Autonav [12].