Разработка рекомендаций по применению систем функционального дополнения спутниковой навигации

Размещено на http://www.allbest.ru

Аннотация

В дипломной работе «Разработка рекомендаций по применению систем функционального дополнения спутниковой навигации» рассмотрены основы действия и характеристики спутниковых навигационных систем, виды систем наземного функционального дополнения и их особенности, описание и работа контрольно-корректирующей станции, метод частотной модуляции с минимальным сдвигом для передачи диффпоправок, сделан расчет дальности действия контрольно-корректирующей станции. Приведены рекомендации по эффективному применению контрольно-корректирующей станции.

Страниц-67;

Рисунков-21;

Таблиц-8.

Условные обозначения

X_i - координаты i-того спутника ;

Y_i - координаты i-того спутника ;

Z_i - координаты i-того спутника ;

X₀ , Y₀ , Z₀ - координаты потребителя ;

r_i - измеренная псевдодальность до i-того спутника ;

?_r - ошибка в измерении дальности до НКА за счет рассогласования шкал времени НКА и потребителя ;

?t - рассогласование шкал времени НКА и потребителя ;

C - скорость света;

m - номер строки в навигационном кадре ;

t_k - время начала кадра внутри текущих суток, определяемое в шкале бортового времени ;

t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация ;

M - модификация НКА, излучающего сигнал («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛОНАСС - М) ;

?_n(t_b) - относительное отклонение несущей частоты спутника n от номи-нального значения на момент времени t_b;

f_n(t_b) - прогнозируемое значение несущей частоты спутника n с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b;

f_нn - номинальное значение несущей частоты n-ного спутника;

?_n(t_b) - сдвиг на момент времени t_b шкалы времени (t_n) спутника n относительно шкалы времени (t_с) системы . ?_n(t_b)= t_с(t_b)-t_n(t_b) ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - координаты спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие вектора скорости спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие ускорения спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b , обусловленное действием Луны и Солнца ;

B_n - признак недостоверности кадра спутника n (символ «1» в старшем разряде обозначает непригодность данного спутника для навигационных определений) ;

P - признак режима работы НКА по частотно-временной информации;

N_T - календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с високосного года ;

F_T - фактор точности измерений, характеризующий ошибку набора данных на момент времени t_b , излучаемых в навигационном сообщении ;

n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал ;

??_n - смещение навигационного радиосигнала поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1, излучаемого спутником n;

t_f1 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов ;

t_f2 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов ;

E_n - интервал времени между расчетом (закладкой) оперативной информации для спутника n и моментом времени t_b (характеризует возраст оперативной информации) ;

P1 - признак величины интервала времени (мин) между значениями t_b в данном и предыдущем кадрах ;

P2 - признак нечетности (символ «1») или четности («0») числового значения слова t_b ;

P3 - признак, показывающий, что в кадре передается альманах для 5-ти НКА (символ «1») или 4-х НКА («0») ;

P4 - признак , показывающий что в данном кадре передается обновленная (символ «1») эфемеридная или частотно-временная информация;

l_n - признак недостоверности (l_n =1) кадра спутника n;

?_с - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTС(SU);

?_GPS -поправка на расхождение системных шкал времени GPS и ГЛОНАСС

N₄ - номер четырехлетнего периода;

N^A - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года ;

n^A - условный номер спутника в системе ;

H_n^A - номер несущей частоты радиосигнала, излучаемого спутником n^A;

?_n^A - долгота в системе координат ПЗ-90 первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

t ?_n^A - время прохождения первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

?i_n^A - поправка к среднему значению наклонения орбиты спутника n^A на момент времени t?_n^A ;

?T_n^A - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника n^A на момент времени t?_n^A;

?T_n^A - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A ;

?_n^A - эксцентриситет орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

?_n^A - аргумент перигея орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

M_n^A - признак модификации спутника n^A;

B1 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине расхождения всемирного и координированного времени на начало текущих суток ;

B2 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине суточного изменения расхождения ?UT1 ;

KP - признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTS в конце текущего квартала на величину ±1сек;

?_n^A - грубое значение сдвига шкалы времени спутника n^A относительно шкалы времени системы на момент времени t ?_n^A ;

С_n^A - обобщенный признак состояния спутника n^A ;

? - относительная диэлектрическая проницаемость;

? - проводимость;

a - радиус Земли;

? - индекс модуляции;

? - фаза;

x(t) - сигнал на входе;

y(t) - сигнал на выходе;

T_c - длина бита;

e - математическая константа, равная e = 2,718;

q - параметр, характеризующий электрические свойства почвы;

A₀ - амплитуда;

t - время;

f - частота.

Условные сокращения

ABAS-Aircraft Based Augmenting System;

BINR- протокол обмена по последовательному порту;

С/А - Coarse/Acquisition ;

CNS/ATM - Communication, Navigation, Surveillance/Air Traffic Management;

GBAS-Ground Based Augmenting System;

GNSS - Global Navigation Satellite System;

GMSK/FM - Gauss Minimum Shift Keying Frequency Modulation;

GPS- Global Positioning System;

GRAS - GNSS Receiver for Atmospheric Sounding;

HDOP - Horizontal Dilution of Precision;

LAAS - Local Area Augmentation System;

MSK - Minimum Shift Keying;

PRC - Pseudorange Correction;

RRC - Range Rate Correction;

RSIM - Reference Station/Integrity Monitor;

RTCM - Radio Technical Commission for Maritime Services;

RTCM SC-104-Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee 104;

RTK - Real Time Kinematic;

SBAS - Satellite Based Augmenting System;

UTC(SU) - Universal Time Coordinated (Soviet Union);

VDOP - Vertical Dilution of Precision;

WGS-84 - World Geodetic System 1984;

WDOP - Weighted Dilution of Precision;

ВС-воздушное судно;

ГА - Гражданская Авиация;

ГЛОНАСС- глобальная навигационная спутниковая система России;

ГНСС - СНС ГЛОНАСС/GPS;

ИКАО - Международная организация гражданской авиации;

ЛККС - локальная контрольно-корректирующия станция;

ЛПДС - локальные дифференциальные подсистемы;

КА - космический аппарат;

КИ - корректирующая информация;

ККС - контрольно-корректирующая станция;

КС - контрольная станция;

КХ - код Хемминга;

МВ - метка времени;

МСЭ-международный союз электросвязи;

НКА - навигационный космический аппарат;

НКУ - наземный комплекс управления;

ОС - опорная станция;

ПЗ-90 - параметры Земли 1990г.;

РДПС - региональная дифференциальная подсистема;

РМк - радиомаяк;

СВ - средняя волна;

СИК - станция интегрального контроля;

СКП - среднеквадратическая погрешность;

СКО - среднеквадратическое отклонение;

СНС - спутниковая навигационная система;

ССН - система спутниковой навигации;

ШДПС - широкозонная дифференциальная подсистема;

ФЦП - Федеральная целевая программа;

ЧМ - частотная модуляция.

Оглавление

Введение

1. Спутниковые навигационные системы

1.1. Общие сведения о спутниковых навигационных системах

1.2. Определение координат потребителя СНС

1.3. Структура навигационного сообщения системы ГЛОНАСС

1.4. Дифференциальный метод определения координат

2. Спутниковые системы функционального дополнения

2.1. Общие сведения и классификация систем функционального дополнения.

2.1.1. Общие положения систем функционального дополнения

2.1.2. Псевдоспутники (псевдолиты)

2.2. Правовая основа применения систем функционального дополнения

2.3. Описание и работа контрольно-корректирующей станции

2.3.1. Назначение контрольно-корректирующей станции

2.3.2. Технические характеристики

3. Расчет дальности действия ККС

3.1. Особенности распространения волн средневолнового диапазона

3.2.Модель распространения радиоволн, полученная графическим путем

3.3. Метод частотной модуляции с минимальным сдвигом

Выводы и рекомендации

Список использованной литературы

Введение

Традиционные средства навигации не достаточно точно обеспечивают требуемую надежность и точность, недостаточно автоматизированы и не могут устранить влияние человеческого фактора. Основным навигационным средством будущего станут глобальные спутниковые системы навигации (Global Navigation Satellite System - GNSS). В настоящее время развернуты две GNSS - GPS (Global Positioning System) NAVSTAR (Navigation Satellite Time And Ranging), принадлежащая США, и Российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 25 августа 2008г. № 641 «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS» все ВС должны быть оснащены аппаратурой ССН ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS. Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), как навигационный элемент систем управления воздушным движением CNS/АТМ, включает в себя сочетания комбинаций следующих составляющих, размещенных на земле, спутниках и на борту воздушного судна:

-GPS;

-ГЛОНАСС;

-бортовая система функционального дополнения (АВАS);

-спутниковая система функционального дополнения (SВАS);

-наземная система функционального дополнения (GВАS);

-бортовой приемник GNSS.

Системы функционального дополнения позволяют повысить точность до единиц и долей сантиметра.

В России не достаточно широко развернута сеть контрольно-корректирующих станций (ККС). В настоящий момент осуществляется Федеральная Целевая Программа «ГЛОНАСС», по итогам которой развертывание дифференциального сервиса должно закончиться в 2011 г. Поэтому организация функциональных дополнений спутниковой навигационной системы в настоящее время является актуальной. В данной дипломной работе будут рассматриваться вопросы применения ККС, которые составляют основу систем дифференциального сервиса.

1. Спутниковые навигационные системы

1.1 Общие сведения о спутниковых навигационных системах

Система ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. Она разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ. По своей структуре ГЛОНАСС так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Рис.1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Система в целом включает в себя три сегмента (рис. 1).

-космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов (НКА);

-сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

-аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система ГЛОНАСС является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции (навигационных определений) система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

Российская Глобальная Навигационная спутниковая система состоит из 24 НКА, расположенных в трех орбитальных плоскостях на высоте 19100 км (рис.2), что соответствует периоду обращения 11 часов 15 минут. Наклонение орбиты 64,8. Каждый НКА непрерывно передает данные о собственном местоположении в прямоугольной системе координат (эфемериды), а также альманах данных о грубом местоположении всех НКА СНС. Координаты НКА ГЛОНАСС задаются в геодезической системе ПЗ-90 с использованием параметров Земли 1990 г. Каждый НКА работает на разных частотах в диапазоне от 1602,5625 до 1615,5000 МГц с шагом 0,5625 МГц. Сигнал модулируется одинаковой псевдослучайной последовательностью с тактовой частотой 0,5625 МГц с периодом 1 мс.

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе ГЛОНАСС. Её основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

-по космическому сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

-по сегменту управления - IBM, Federal System Company;

-по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avionics & Communication Division.

Космическая навигационная система GPS также состоит из 24 рабочих НКА, расположенных в 6 орбитальных плоскостях по 4 НКА на каждой (рис.2). Орбитальные плоскости расположены под углом 55 к экватору. Каждый НКА передает сигналы на частоте 1575,42 МГц, с модуляцией индивидуальном псевдослучайным кодом. Широкополосный сигнал формируется на НКА путем фазовой манипуляции несущей частоты сигналом псевдослучайной последовательности из 1023 компонентов тактовой частотой 1,023 МГц. Данные передаются со скоростью 50 бит/с, в них содержится информация об эфемеридах, техническом состоянии, временном сдвиге опорного генератора и т.д. Эфемериды НКА GPS привязаны к Всемирной Геодезической Системе 1984 г. (WGS-84).

При совместной работе эти системы называются Глобальными Навигационными Спутниковыми Системами (Global Navigation Satellite System).

Рис.2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS.

Сравнение текущих уровней развития ГЛОНАССа и GPS приведено в табл.1.

Таблица 1

Сравнительное состояние развертывания спутниковых систем

Характеристики GPS и ГЛОНАСС	GPS	ГЛОНАСС
Количество спутников (резерв)	24 (3), реально - 30, с увеличением до 48	24, сегодня на орбите 19
Количество орбитальных плоскостей	6	3
Количество спутников в каждой плоскости	4	8
Гарантийный срок эксплуатации спутника (лет)	10	3 - «Ураган», 7 - «Ураган-М», 10 - 12 - «Ураган-К» (начиная с 2010 г.)
Покрытие сигналом	Весь земной шар	Весь земной шар (сегодня - до 90% территории РФ и до 60% земного шара)
Точность определения местоположения потребителя сигнала (м)	100 (гражданский сигнал), 10 (военный сигнал),	30 - 60 - при использовании КА «Ураган», 5 - 10 - «Ураган-М», 1 - 3 - «Ураган-К»

В отличие от системы GPS, спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Что касается сегмента управления, то станции GPS расположены по всему миру, в то время как станции слежения ГЛОНАСС находятся только на территории России. Поскольку ГЛОНАСС -- стратегическая система, то независимость от других стран играет особую роль.

Потребительское оборудование ГЛОНАСС разработано только для специальных применений и, в отличие от приемников GPS, пока не доступно для индивидуального пользования. Однако сейчас полным ходом идет разработка коммерческих совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS.

1.2 Определение координат потребителя СНС

Для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени. Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения НКА на до-статочно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации. Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта НКА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним. В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника. В системе ГЛОНАСС для определения точного положения спутника используются дифференциальные модели движения. В этих моделях координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются численным интегрированием дифференциальных уравнений движения НКА, учитывающих конечное число сил, действующих на НКА. Начальные условия интегрирования задаются на узловой момент времени, располагающийся посередине интервала аппроксимации. Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностью около 1 м. Рассмотрим метод определения координат на плоскости (рис.3) и в пространстве (рис.4):

Размещено на http://www.allbest.ru

(X₁ - X₀)² + (Y₁ - Y₀)² = r₁²

(X₂ - X₀)² + (Y₂ - Y₀)² = r₂²

Рис.3. Метод определения координат на плоскости.

Рис. 4. Метод определения координат в пространстве

(X_i - X₀)² + (Y_i - Y₀)² + (Z_i - Z₀)² = (r_i + ?_r )² , (1)

?_r = c?t,

i = 1, … 4,

где X_i , Y_i , Z_i - координаты i-того спутника ;

X₀ , Y₀ , Z₀ - координаты потребителя ;

r_i - измеренная псевдодальность до i-того спутника ;

?_r - ошибка в измерении дальности до НКА за счет рассогласования шкал времени НКА и потребителя ;

?t - рассогласование шкал времени НКА и потребителя ;

c - скорость света .

В спутниковой системе навигации ГЛОНАСС используется прямоугольная геоцентрическая система координат OX_aY_aZ_a (ПЗ-90) с началом координат в центре масс Земли.

Ось Z совпадает с осью вращения Земли и проходит через Северный полюс;

Ось X находится в плоскости экватора и проходит через нулевой меридиан;

Ось Y дополняет геоцентрическую систему координат до правой.

1.3 Структура навигационного сообщения системы ГЛОНАСС

Навигационное сообщение содержит оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация (табл.3) относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:

-оцифровку меток времени НКА;

-сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС;

-относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;

-эфемериды НКА.

Неоперативная информация (табл.4) содержит альманах системы, включающий в себя:

-данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);

-сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС (альманах фаз);

-параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);

-сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU).

Навигационное сообщение СНС ГЛОНАСС иерархически структурировано в виде строк, кадров и суперкадров (табл.2)

Строка навигационного сообщения имеет длительность 2 с (вместе с меткой времени) и содержит 85 двоичных символов, передаваемых в относительном коде. Первый символ является холостым для относительного кода. Последние восемь символов в каждой строке являются проверочными символами кода Хэмминга, позволяющими исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке. Альманах системы необходим аппаратуре потребителя для планирования сеанса, т.е. выбора оптимального созвездия и прогнозирования для составляющих его НКА доплеровского сдвига несущей частоты. Отсутствие альманаха системы в памяти приемника потребителя приводит к значительному увеличению длительности сеанса, за счет времени, затрачиваемого на поиск сигналов и определение оптимального созвездия. Тем не менее, структура навигационного сигнала СНС ГЛОНАСС обеспечивает более быстрое обновление (или первичный прием) альманаха за счет меньшей длительности суперкадров (2,5 мин) по сравнению с GPS (12,5 мин)

Оперативная информация используется непосредственно в сеансе навигации. Частотно-временные поправки вносятся в результаты измерений, а эфемериды применяются при определении координат и вектора скорости потребителя. спутниковый навигационный волна модуляция

Кадр имеет длительность 30 с и состоит из 15 строк длительностью 2 с каждая. Он содержит полный объем оперативной информации для излучающего НКА (строки 1…4) и четверть альманаха. В кадрах с первого по четвертый передается альманах по пяти спутникам, в пятом кадре по оставшимся четырем. Альманах для каждого спутника занимает по две строки.

Таблица 2

Структура навигационного сообщения ГЛОНАСС

Номер кадра в суперкадре	Номер строки в кадре	Вид информации
I	1	0	Оперативная информация для передающего сообщение НКА	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	3	0		КХ	МВ
	4	0	Неоперативная информация (альманах) для НКА №№ 1 - 5	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	15	0		КХ	МВ
II	1	0	Оперативная информация для передающего сообщение НКА	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	3	0		КХ	МВ
	4	0	Неоперативная информация (альманах) для НКА №№ 6-10	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	15	0		КХ	МВ
III	1	0	Оперативная информация для передающего сообщение НКА	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	3	0		КХ	МВ
	4	0	Неоперативная информация (альманах) для НКА №№ 11-15	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	15	0		КХ	МВ
IV	1	0	Оперативная информация для передающего сообщение НКА	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	3	0		КХ	МВ
IV	4	0	Неоперативная информация (альманах) для НКА №№ 16-20	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	15	0		КХ	МВ
V	1	0	Оперативная информация для передающего сообщение НКА	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	3	0		КХ	МВ
	4	0	Неоперативная информация (альманах) для НКА №№ 21-24 резерв	КХ	МВ
	…	0		КХ	МВ
	14	0		КХ	МВ
	15	0	резерв	КХ	МВ

Таблица 3

Состав, структура и размещение оперативной информации в кадре навигационного сообщения ГЛОНАСС

Информационное слово	Число разрядов	Цена младшего разряда	Диапазон значений	Единица измерения	Номер строки в кадре	Номера разрядов в строке
M	4	1	0…15	безразм.	1…15	81 - 84
tk	5	1	0…23	час	1	65 - 76
	6	1	0…59	мин
	1	30	0 ; 30	с
tb	7	15	15..1425	мин	2	70 - 76
M (1)	2	1	0 ; 1	безразм.	4	9 - 10
?n(tb)	11	2-40	±2-30	безразм.	3	69 - 79
?n(tb)	22	2-30	±2-9	с	4	59 - 80
xn(tb), yn(tb), zn(tb)	27	2-11	±2,7*10-4	км	1, 2, 3	9 - 35
xn(tb), yn(tb), zn(tb)	24	2-20	±4,3	км/с	1, 2, 3	41 - 64
xn(tb), yn(tb), zn(tb)	5	2-30	±6,2*10-9	км/с2	1, 2, 3	36 - 40
Bn	3	1	0…7	безразм.	2	78 - 80
P (1)	1	1	0 ; 1	безразм.	3	66
NT	11	1	0…2048	сутки	4	16 - 26
FT (1)	4		1…512	м	4	30 - 33
n (1)	5	1	0…31	безразм.	4	11 - 15
? ?n	5	±2-30	±13,97*10-9	с	4	54 - 58
En	5	1	0…31	сутки	4	49 - 53
P1	2		0…60	мин	1	77 - 78
P2	1	1	0 ;1	безразм.	2	77
P3	1	1	0 .1	безразм.	3	80
P4 (1)	1	1	0 .1	безразм.	4	34
ln (1)	1	1	0 .1	безразм.	3,5,7,9, 11,13,15	65(строка 3 9(ост. стр,)

⁽¹⁾ - планируется ввести в навигационное сообщение ГЛОНАСС - М .

Суперкадр содержит 5 кадров и длится 2,5 мин. В пределах суперкадра оперативная информация и строка 5 (системные данные) повторяются в каждом кадре. Границы строк, кадров и суперкадров различных НКА синхронны с погрешностью не более 2 мс.

Содержание слов оперативной информации:

m - номер строки в навигационном кадре ;

t_k - время начала кадра внутри текущих суток, определяемое в шкале бортового времени ;

t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация ;

M - модификация НКА, излучающего сигнал («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛОНАСС - М) ;

?_n(t_b) - относительное отклонение несущей частоты спутника n от номинального значения на момент времени t_b . ?_n(t_b)= (f_n(t_b)- f_нn)/ f_нn (где f_n(t_b) - прогнозируемое значение несущей частоты спутника n с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b , f_нn - номинальное значение несущей частоты n-ного спутника ).

Номинальные несущие частоты НКА в поддиапазонах L1, L2 определяются выражениями :

f_K1= f₀₁+K?f₁ , f_K2= f₀₂+K?f₂ , f_K2 / f_K1 = 7/9

f₀₁=1602,0 МГц , ?f₁ = 0,5625 МГц , f₀₂=1246,0 МГц , ?f₂ = 0,4375 МГц,

( где K= (-7, …,13) - номера несущих частот ), распределение номеров K между НКА отображается в альманахе .

Отклонение несущей частоты от номинального значения не превышают в относительной величине ±2*10^-11 ) ;

?_n(t_b) - сдвиг на момент времени t_b шкалы времени (t_n) спутника n относительно шкалы времени (t_с) системы . ?_n(t_b)= t_с(t_b)-t_n(t_b) ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - координаты спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие вектора скорости спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие ускорения спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b , обусловленное действием Луны и Солнца ;

B_n - признак недостоверности кадра спутника n (символ «1» в старшем разряде обозначает непригодность данного спутника для навигационных определений) ;

P - признак режима работы НКА по частотно-временной информации. (при P=1 частотно-временная информация рассчитывается на борту НКА, при P=0 рассчитывается НКУ и закладывается на борт) ;

N_T - календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с високосного года ;

F_T - фактор точности измерений, характеризующий ошибку набора данных на момент времени t_b , излучаемых в навигационном сообщении ;

n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал ;

??_n - смещение навигационного радиосигнала поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1, излучаемого спутником n. ??_n= t_f2 - t_f1 ( где t_f1 , t_f2 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов) ;

E_n - интервал времени между расчетом (закладкой) оперативной информации для спутника n и моментом времени t_b (характеризует возраст оперативной информации) ;

P1 - признак величины интервала времени (мин) между значениями t_b в данном и предыдущем кадрах ;

P2 - признак нечетности (символ «1») или четности («0») числового значения слова t_b ;

P3 - признак, показывающий, что в кадре передается альманах для 5-ти НКА (символ «1») или 4-х НКА («0») ;

P4 - признак , показывающий что в данном кадре передается обновленная (символ «1») эфемеридная или частотно-временная информация;

l_n - признак недостоверности (l_n =1) кадра спутника n . Данный НКА для навигационных определений непригоден.

Таблица 4

Состав, структура и размещение неоперативной информации (альманаха) в кадре навигационного сообщения ГЛОНАСС

информационное слово	Число разрядов	Цена младшего разряда	Диапазон значений	Единица измерения	Номер строки в кадре	Номера разрядов в строке
?с (1) (2) (3)(4)	28	2-27	±1	С	5	38-69(4)
?GPS (1) (2)	22	2-30	±1,9*10-3	С	5	32 - 36
N4 (1)	5	1	0 - 31	4-х летний интервал	5	10 - 31
NA	11	1	1…1461	Сутки	5	70 - 80
nA	5	1	1…24	безразмерн.	6,8,10,12,14	73 - 77
HnA (3)	5	1	1…31	безразмерн.	7,9,11,13,15	10 - 14
?nA (2)	21	2-20	±1	полуцикл	6,8,10,12,14	42 - 62
t ?nA	21	2-5	0…44100	С	7,9,11,13,15	44 - 64
?inA (2)	18	2-20	±0,067	полуцикл	6,8,10,12,14	24 - 41
?TnA (2)	22	2-9	±3,6*10-3	с/виток	7,9,11,13,15	22 - 43
?TnA (2)	7	2-14	±2-8	с/виток2	7,9,11,13,15	15 - 21
?nA	15	2-20	0…0,03	безразмерн.	6,8,10,12,14	9 - 23
?nA (2)	16	2-15	±1	полуцикл	7,9,11,13,15	65 - 80
MnA (1)	2	1	0,1	безразмерн.	6,8,10,12,14	78 - 79
B1 (1) (2)	11	2-10	±0,9	С	74	70 - 80
B2 (1) (2)	10	2-16	(-4,5…3,5)*10-3	с/ССС	74	60 - 69
KP (1)	2	1	0,1	безразмерн.	74	58 - 59
?nA	10	2-18	±1,9*10-3	С	6,8,10,12,14	63 - 72
СnA	1	1	0…1	безразмерн.	6,8,10,12,14	80

⁽¹⁾ - планируется ввести в навигационное сообщение ГЛОНАСС - М ;

⁽²⁾ - старший разряд знаковый (символ 0 соответствует знаку «+» ) ;

⁽³⁾ - отрицат. значения несущей частоты (значения слова с 25 по 31) ;

⁽⁴⁾ - предполагается уменьшить цену младшего разряда до 2^-31 с (до 0,46 нс), увеличив число разрядов до 32. Слово будет передаваться в 5, 20, 35, 50 и 65-й строках суперкадра (5-я строка каждого кадра).

Содержание слов альманаха (неоперативной информации):

?_с - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTС(SU). Поправка дается на начало суток с номером N^A ;

?_GPS -поправка на расхождение системных шкал времени GPS и ГЛОНАСС

N₄ - номер четырехлетнего периода (N₄ =0, начиная с 1996 года) ;

N^A - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года ;

n^A - условный номер спутника в системе ;

H_n^A - номер несущей частоты радиосигнала, излучаемого спутником n^A;

?_n^A - долгота в системе координат ПЗ-90 первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

t ?_n^A - время прохождения первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

?i_n^A - поправка к среднему значению наклонения орбиты спутника n^A на момент времени t?_n^A (среднее значение наклонения орбиты принято равным 63^° );

?T_n^A - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника n^A на момент времени t?_n^A (среднее значение драконического периода принято равным 43200 с) ;

?T_n^A - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A ;

?_n^A - эксцентриситет орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

?_n^A - аргумент перигея орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

M_n^A - признак модификации спутника n^A («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛО-НАСС - М) ;

B1 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине расхождения всемирного и координированного времени на начало текущих суток ;

B2 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине суточного изменения расхождения ?UT1 ;

KP - признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTS в конце текущего квартала на величину ±1сек. («00» - коррекции не будет, «01» - будет коррекция +1с , «11» - будет коррекция -1 с ) ;

?_n^A - грубое значение сдвига шкалы времени спутника n^A относительно шкалы времени системы на момент времени t ?_n^A ;

С_n^A - обобщенный признак состояния спутника n^A («0» - спутник не при-годен для навигационных определений, «1» - спутник пригоден).

1.4 Дифференциальный метод определения координат

Спутниковые навигационные системы позволяют определить координаты потребителя с точностью порядка 10…15 метров. Но в ряде случаев требуется более высокая точность определения местоположения. К таким случаям относится навигация в городских условиях, заход на посадку по категориям ИКАО , а также геодезические измерения, картография и т.д.

Добиться существенного увеличения точности определения координат (до единиц и долей сантиметра) удается при помощи функционального дополнения к ГНСС, называемого дифференциальной подсистемой.

В дифференциальной подсистеме используется дифференциальный метод, суть которого заключается в передачи на приемники воздушных судов ГЛОНАСС/GPS поправок к измеренным псевдодальностям до НКА. Поправки формируются и контролируются ККС, для чего антенны ГНСС размещаются в месте с эталонными координатами.

Дифференциальный метод основан на минимизации погрешностей, влияющих на точность определения местоположения судовыми приемниками ГЛОНАСС/GPS. Основными погрешностями при определении координат являются:

· ионосферная рефракция распространения сигнала, в среднем составляет от 20 до30 м в течение дня и от 3 до 6 м ночью;

· тропосферная рефракция распространения сигнала в нижних слоях атмосферы. Для НКА с малыми высотами она достигает 30 м. Разница в значении рефракции между приемником опорной станцией и судовым приемником может составлять от 1 до 3 м.

· эфемеридная ошибка разница между фактическим местоположением НКА и его местоположением, вычисленным по данным эфемерид, полученным с НКА. Обычно эта разница не превышает 3 м;

· ошибки бортовой шкалы времени НКА разница между временными шкалами каждого используемого НКА и временем центрального синхронизатора, по которому производится расчет прогнозируемых эфемерид.

При работе приемника опорной станции и приемника по одним и тем же НКА все вышеперечисленные ошибки компенсируются дифференциальным режимом.

Кроме того, дифференциальный режим обеспечивает функцию контроля целостности СНС ГЛОНАСС и GPS, путем определения приемниками ГЛОНАСС/GPS неработоспособных НКА и передачи этой информации на приемники с минимальной временной задержкой.

Для сравнения точности местоопределения координат рассмотрим характеристики базовай ККС авиационной дифференциальной подсистемы СНС ГЛОНАСС/GPS , приведенные в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики базовых контрольно-корректирующих станций

Тип принимаемого сигнала: -ГЛОНАСС -GPS	CТ-сигнал (L1, L2) C/A-код (L1)
Точность определения навигационных параметров: -по псевдодальности(при сглаживании по фазе несущей) -по псевдоскорости(по фазе несущей)	0,01 м 0,001 м/сек
Время начального определения (не более)	120 сек
Чувствительность	160 дБ/Вт
Питание: переменный ток	220 В/ 50 Гц
Потребляемая мощность	150 Вт
Габаритные размеры	450х340х200 (мм)
Вес	15 кг

Очевидно, что применение ККС существенно улучшает определение координат ВС, чем просто использование СНС.

Сформулированы требования к навигационному обеспечению воздушных судов.

Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Численные значения доступности при маршрутных полетах составляют 0,999...0,99999; при полете в зоне аэродрома и некатегорированном заходе на посадку -0,99999. Требования по доступности для захода на посадку и посадки по категориям ИКАО соответствуют требованиям к системам инструментальной посадки. Численные значения их близки к 1.

Требования к целостности составляют для маршрутных полетов, полетов в зоне аэродрома и некатегорированном заходе на посадку - 0,999 при допустимом времени предупреждения соответственно 10 с, 10 с и 2 с, а для захода и посадки по I, II и III категориям ИКАО -0,999999, 0,9999999 и 0,9999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с.

Требования к точности определения координат и высоты полета ВС приведены в табл. 6.

Таблица 6

Требования к точности определения координат и высоты полета ВС

Решаемые задачи	Точность определения координат (СКО), м	Точность определения высоты (СКО), м
Маршрутный полет: Над океаном (безориентирная местность) Трассы шириной 20 км Трассы шириной 10 км Местные воздушные линии I категории Местные воздушные линии II категории	5800 2500 1250 500 250	30...40 30...40 30...40 30...40 30...40
Полет в зоне аэродрома	200	-
Специальные полеты (для разведки полезных ископаемых, поиска и спасения и др.)	1…10	-
Некатегорированный (неточный) заход на посадку	50	-
Заход на посадку по 1-й категории Н=30 м	4,5...8,5	1.5...2
Заход на посадку по Н-й категории Н=15 м	2,3...2,6	0,7...0,85
Заход на посадку по Ш-й категории Н=2,4 м	2,0	0,2...0,3

2. Спутниковые системы функционального дополнения

2.1 Общие сведения и классификация систем функционального дополнения

Основу дифференциальной подсистемы составляют наземные контрольно-корректирующие станции (ККС), координаты которых известны и определены с большой точностью. Как правило, под координатами ККС в данном случае подразумевают координаты фазового центра приемной антенны. Путем сравнения измеренных значений псевдодальностей до спутников с достоверными значениями, вычисленными на основе полученной от главной станции информации об орбитах НКА, вычисляются поправки к псевдодальностям. Полученные значения передаются потребителям по специально выделенным линиям передачи данных. Потребитель должен иметь соответствующий приемник, оснащенный модулем для приема радиосигналов ККС.

Принято различать широкозонные, региональные, локальные дифференциальные подсистемы и псевдоспутники (рис.5).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.5. Классификация наземных систем функционального дополнения

2.1.1 Общие положения систем функционального дополнения

Основой широкозонной подсистемы (ШДПС) является сеть специальных широкозонных ККС, информация о поправках с которых передается на главную станцию. После дополнительной проверки на главной станции вырабатывается комплекс общих поправок и целостности. Выработанные сигналы передаются, как правило, на геостационарные спутники, с которых транслируются на приемники потребителей. Применение геостационарных спутников позволяет обеспечить радиус рабочей зоны порядка 5000…6000 км. Достаточно часто ККС, входящие в ШДПС, обеспечивают и локальный сервис с применением дополнительных каналов передачи данных.

К настоящему времени наиболее широкую известность получили проекты ШДПС или SBAS, использующих геостационарные космические аппараты в качестве средств передачи сигналов контроля целостности и дифференциальных поправок. Такими системами являются американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS (рис.6).

Рис.6. Зоны покрытия систем WAAS, EGNOS и MSAS

Рис.7. ШДПС WAAS



Рис.8. ШДПС EGNOS

Рис.9. ШДПС MSAS.

Региональные дифференциальные системы (РДПС) служат для навигационного обеспечения отдельных регионов от 400 до 2000 и предназначены для навигационного обеспечения отдельных регионов моря/океана или континента. В состав РПДС входят одна или несколько ККС, а также аппаратура контроля целостности и средства передачи данных потребителю. Эти данные вырабатываются либо на главной станции, либо непосредственно на ККС. Примерами РДПС являются сстемы Starfix (рис.10) и SkyFix (рис.11) . Эти системы используют для передачи информации каналы спутников INMARSAT.



Рис.10. РДПС StarFix

Рис.11. РДПС SkyFix

Локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) функционируют при дальности до потребителя в диапазоне 50…200 км и обычно имеют в своем составе одну ККС, аппаратуру управления и контроля целостности и средства передачи данных. В качестве аппаратуры передачи данных ЛПДС часто применяют имеющиеся радиомаяки.

ЛДПС довольно разнообразны. Морские системы для передачи информации используют средневолновые радиомаяки дальностью до 200 км. В авиации в районе аэродромов используются подсистемы с общим названием GBAS (Ground Based Augmentation System) - Наземные системы функционального дополнения (рис.12).



Рис.12. ЛДПС GBAS

2.1.2 Псевдоспутники (псевдолиты)

Возможна разновидность дифференциальной подсистемы, когда передаваемые потребителю сигналы с поправками и другой информацией привязаны к местной шкале времени. После учета поправок шкала времени потребителя также оказывается привязанной к местной шкале времени, следовательно, принятые потребителем сигналы дифференциальной подсистемы являются источником информации о взаимной дальности и скорости потребителя относительно дифференциальной станции.

Если дифференциальная станция излучает сигнал, аналогичный сигналу НКА, она называется псевдоспутником (псевдолитом). Наиболее очевидным и частым примером применения псевдоспутников является выведение самолетов на посадочную глиссаду. При неудачном расположении НКА наличие псевдоспутников позволяет снизить значение геометрического фактора в вертикальной плоскости в 6…8 раз и в горизонтальной плоскости в 3…4 раза.

Фактически псевдоспутники представляют собой стационарные излучатели GPS-сигналов со значительно меньшей мощностью сигнала и, соответственно, меньшим радиусом действия. Прием их сигналов возможен на компактные пользовательские GPS-приемники, позволяющие использовать их при решении навигационной задачи.

Нетрудно заметить, что подобная архитектура навигационных сервисов существенно отличается от локальных, региональных или широкозонных дифференциальных подсистем. Если использование последних возможно только в случае стабильного приема GPS-сигналов, с помощью псевдоспутников теоретически можно обеспечить стабильную навигацию даже в отсутствие сигналов от «настоящих» спутников вообще. Использование псевдоспутников призвано скорректировать возможно плохие геометрические факторы ГЛОНАСС и GPS, если они появляются. В качестве критерия использовался взвешенный геометрический фактор WDOP:

WDOP=(2K_GV+K_GH)/3, (2)

где K_GV b K_GH - геометрические факторы при определении высоты и плановых координат соответственно (VDOP, HDOP). Взвешенный таким образом геометрический фактор подчеркивает роль горизонтальных координат по сравнению с вертикальной.

2.2 Правовая основа применения систем функционального дополнения

Стандарты на форматы данных и другие детали технической реализации систем функционально дополнения разрабатывает Специальный комитет морской радиотехнической комиссии RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee 104). Несмотря на "морское" название комиссии, стандарты рассчитаны и на наземных, и на воздушных потребителей. Хотя, в авиации более распространены стандарты Радиотехнической комиссии аэронавтики RTCA (Radio Techical Commission for Aeronautics).

Основными документами, регулирующими использование ККС в ГА являются:

- Федеральный закон Российской Федерации от 14 февраля 2009 г. N 22-ФЗ «О навигационной деятельности»;

- Постановление Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. N 641 г. Москва «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»

Опубликовано 3 сентября 2008 г.;

-Федеральные авиационные правила «Объекты единой системы организации воздушного движения» (утвержденные приказом Минтранса РФ от 18 апреля 2005 г. №31).

2.3 Описание и работа контрольно-корректирующей станции

2.3.1 Назначение контрольно-корректирующей станции

ККС (рис.13) является составной частью морской дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС и GPS.

ККС предназначена для решения следующих задач:

а) одновременного приема и обработки радиосигналов НКА СНС ГЛОНАСС и GPS, находящихся в зоне радиовидимости при работе по раздельным созвездиям или по смешанному созвездию;

б) контроля целостности МДПС ГЛОНАСС и GPS путем определения неработоспособных спутников и передачи этой информации через радиомаяк на судовые приемники с минимальной временной задержкой;

в) управление работой радиомаяка;

г) формирования кадров корректирующей информации в соответствии со стандартом «RTCM SC-104 версия 2.2 для функционирования GNSS в дифференциальном режиме»;

д) преобразования кадров КИ в MSK-модулированный сигнал и передачу его по коаксиальной линии к передатчику радиомаяка;

е) оценки качества вырабатываемой КИ, включение в области PRC/RRC сообщений RTCM 1, 31 и/или 9, 34 признака «не использовать данный спутник» при формировании аномальных значений поправок;

ж) определения фазового центра антенны ГНСС по серии наблюдений в системах координат ПЗ-90 или WGS-84 по выбору оператора;

з) включения в RTCM-сообщения признака неудовлетворительной работы ККС при аномальных погрешностях координат, рассчитываемых с учетом дифференциальных поправок;

и) включения в области PRC/RRC сообщений RTCM 1, 31 и/или 9, 34 признака «не использовать данный спутник «при аномальной остаточной погрешности псевдодальности;

к) включения в RTCM-сообщение признака неконтролируемой работы ККС при отсутствии обратной связи от СИК и аномальных значениях геометрического фактора ухудшения точности;

л) формирования и передачи RTCM-сообщения шестого типа для заполнения возможных пауз в передачи дифференциальных поправок;

м) выдачи данных о результатах работы для документирования и архивирования;

о) оценки состояния канала передачи корректирующей информации;

п) контроля параметров работы радиомаяка и ККС на мониторе КС.

Опорная станция (ОС)