Обзор современных систем спутниковой навигации

Военные и гражданские пользователи, по сути, предъявляют к носимым приемникам GPS одни и те же требования: малый вес, низкая цена, надежность, простота в обращении. Поэтому не удивительно, что навигационное оборудование военного и коммерческого назначения в США производят одни и те же фирмы, и схемотехника приемников не имеет принципиальных отличий. Что касается управления системой и стратегического планирования развития, то в последнее время баланс влияния сместился от Министерства обороны к Министерству транспорта, которое курирует гражданские аспекты применения GPS.

1.6 Развитие радионавигации в СССР и России

Если в США, как признают американские авторы [11], реальным толчком к развитию радионавигации послужил запуск первого советского спутника, то в СССР научное обоснование использования ИС3 для целей радионавигации родилось еще до его запуска. Ведущая роль в создании основных теоретических положений спутниковой навигации принадлежит научному коллективу Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А.Ф. Можайского под руководством профессора В.С. Шебшаевича.

С точки зрения максимальной познавательности для читателя, представляется наилучшим решением процитировать слова опытных ученых, посвятивших многие годы развитию этой области и науки и техники.

Академик М.Ф. Решетнев, имя которого ныне носит Красноярское НПО ПМ, так описывал основные этапы создания отечественной навигационной спутниковой системы:

Полномасштабные работы по созданию отечественной навигационной спутниковой системы были развернуты в середине 60-х годов, а 27 ноября 1967 г. был выведен на орбиту первый навигационный отечественный спутник ("Космос-192"). Спутник и ракетоноситель были разработаны и изготовлены объединением прикладной механики.

Навигационный спутник обеспечивал непрерывное в течении всего времени активного существования излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 Мгц. Среднеквадратическая погрешность местоопределения по этому спутнику составляла 250 ... 300 м.

В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система первого поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83 градуса и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль эква-тора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведений измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Большой вклад в повышение точности эфемерид навигационных спутников внесли результаты работ по программе геодезических и геофизических Исследований с помощью специальных геодезических спутников "Космос-842" и "Космос-911", которые были выведены на навигационные орбиты. Это позволило уточнить координаты измерительных средств и вычислить коэффициенты согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину 70 ... 80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80 ... 100 м.

Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приеме индикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн", Последняя имеет возможность работы и по спутникам американской радионавигационной системы "Транзит".

В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).

Дооснащение аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют систему "Коспас". Совместно с американо-франко-канадской системой "Сарасат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечивать потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных координат беззапросным методом требуется проведение измерений навигационного параметра не менее, чем до четырех спутников, при этом одновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных часов относительно шкалы времени спутниковой системы.

Исходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиовидимость потребителем, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутников, при минимальном общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно и к уменьшению количества спутников в системе). 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.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунды), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10 ... 15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых независимых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1х10в -13той и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1х10 в -14той, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3 ... 5 нс.

С помощью этих средств и специального математического обеспечения производится определение расхождений бортовых шкал времени с наземной шкалой и их прогнозирование для каждого спутника системы. Результаты прогноза в виде поправок к спутниковым часам относительно наземных закладываются на соответствующие спутники и передаются ими в составе цифровой информации навигационного сигнала. Потребителями, таким образом, устанавливается единая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системы не превышает 15 ... 20 нс.

Второй проблемой создания определения высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутников потребовало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движения ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий.

Для экспериментального определения параметров геопотенциала на орбиты навигационных спутников были запущенны два пассивных ИС3 "Эталон" ("Космос-1989" и "Космос-2024"), предназначенных для измерения параметров их движения высокоточными кванто-оптическими измерительными средствами. Благодаря этим работам достигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30 ч составляет: вдоль орбиты - 20 м; по бинормали к орбите - 10 м; по высоте 5 м (СКО). Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника "Космос-1413"...>>

Вот что пишет Ю.А.Соловьев:

"...Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958 - 1959 гг.), которые осуществляли ЛВВИА им. А.Ф. Можайского, Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР два морских НИИ и Горьковский НИРФИ. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике (чл.-корр. АН СССР А.И. Лурье) и расчетом орбит (проф. П.Е. Эльясберг). В коллективах этих организаций по проблеме активно работали Ю.В. Батраков, Е.Д. Голиков, В.П. Заколодяжный, Э. А. Жижемский, М.М. Корбин, А.А. Колосов, Л.И. Кузнецов, В.Ф. Проскурин, А.Н. Радченко, Н.К. Сергеев, Б.А. Смольников, Е.Ф. Суворов, В.А. Фуфаев, Г.И. Чере-панов, Е.П. Чуров, В.И. Юницкий и др. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно - конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".

В создании этой системы приняли участие: Научно-производственное объединение прикладной механики (НПО ПМ) - головная организация по системе в целом и по разработке навигационных спутников (НС); Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (РНИИ КП) - головная организация по радиотехническому комплексу системы, разработке бортовой космической и наземной радиотехнической аппаратуры, а также бортовой аппаратуры морских судов; Российский институт радионавигации и времени (РИРВ) - разработчик бортовой космической аппаратуры ряда типов морских судов, а также другие предприятия космической, радиотехнической и судостроительной отраслей промышленности СССР.

Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС запатентована в Соединенных Штатах Америки...>>

И далее Ю.А. Соловьев продолжает:

"... В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие усилия по поддержанию группировки.

Разработаны самолетная аппаратура АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.

Работы по созданию спутниковых радионавигационных систем осуществлялись помимо НПО ПМ (руководители работ М.Ф. Решетнев, А.Г. Козлов, Г.М. Чернявский, В.Ф. Черемисин) коллективами РНИИ КП (руководители работ Л.И. Гусев, М.И. Борисенко, Н.Е. Иванов, В.А. Салищев), РИРВ (руководители работ П.П. Дмитриев, А.Ф. Смирновский, ГО, Г. Гужва, А.Г. Гевор-кян, Ю.М. Юстинов, С.Н. Клюшников, И.В. Кудрявцев, Г.С. Цеханович, Б.В. Шебшаевич, В.Ю. Кутков) при активном участии руководителей и специалистов министерства общего машиностроения ( ныне Российское космическое агентство) Ю.П. Коптева, Ю.Г. Милова и Ю.В. Медведкова, научно-исследовательскими учреждениями министерств обороны, гражданской авиации, морского флота, Управление по геодезии и картографии и др.

Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системами являются Военно-космические силы РФ.

Механизм государственного контроля и координации работ по СРНС ГЛОНАСС осуществляется на межведомственной основе Координационным Советом, созданным в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. Рабочим органом Координационного совета определен научно-технический центр "Интернавигация".

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. основными направлениями дальнейших работ являются:

модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутника ГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять лет и более вместо трех и настоящее время) и более высокими техническими характеристиками, что позволит повысить надежность и точность системы в целом;

внедрение технологии спутниковой навигации в отечественную экономику, науку и технику, а также создание нового поколения навигационной аппаратуры потребителей, станций дифференциальных поправок и контроля целостности;

разработка и реализация концепции российской широкозонной дифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры Военно-космических сил и ее взаимодействия с ведомственными региональными и локальными дифференциальными подсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;

развитие сотрудничества с различными международными и зарубежными организациями и фирмами в области расширения использования возможностей навигационной системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей;

решение вопросов, связанных с использованием совместных навигационных полей систем ГЛОНАСС и GPS в интересах широкого круга потребителей мирового сообщества: поиск единых подходов к предоставлению услуг мировому сообществу со стороны космических навигационных систем;

согласование опорных систем координат и системных шкал времени; выработка мер по недопущению использовании возможностей навигационных систем в интересах террористических группировок.

Работы в указанных направлениях ведутся в соответствии с требованиями, выдвигаемыми различными потребителями (воздушными, морскими и речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими, землеустроительными и другими службами)...



2. Общие принципы функционирования спутниковых навигационных систем

2.1 Обобщенная структура спутниковой навигационной системы

Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др.

Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам:

Доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения.

Целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее.

Непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.

Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зо-не аэродрома и некатегорированном заходе на посадку не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС потребителями.

В СНС ГЛОНАСС и GPS высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов:

- космического сегмента;

- сегмента управления;

- сегмента потребителей.

Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS) и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы наземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п.

Основу концепции СНС ГЛОНАСС и GPS составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение искомых навигационных данмирудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя весьма компактным и экономичным.

Космический сегмент.

Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3 - 5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы ( в ограниченных пределах ) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть.

Основное значение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭМВ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационых параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппаратурой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.

Дальномерная составляющая содержит компоненты стандартной и высокой точности. Стандартная точность измерений доступна всем потребителям, а высокая - только авторизованным, т.е. имеющим разрешение военных контролирующих органов. Разграничение доступа достигается путем кодирования сигналов высокой точности.

В условиях военных действий возможны попытки как постановки преднамеренных помех с целью подавления сигнала СНС (джаминг), так и попытки навязывания (спуфинг), т.е. подмены сигнала и ввода в приемную аппаратуру противника заведомо ложной информации при помощи сторонних передатчиков. Поскольку в литературе весьма редко встречается четкое толкование термина «антиспуфинг» применительно к СНС, следует особо подчеркнуть, что речь идет именно о защите от навязывания.

Сегмент управления.

Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции ста-раются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитически-ми факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной стан-цией. На главной станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА.

Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС.

Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов.

Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени.

Сегмент потребителей.

Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации; гражданские организации; частные лица. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма вычисления оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами.

Определение текущих координат НКА.

Несмотря на некоторое сходство с радиомаячными навигационными системами (беззапросность, дальномерный метод), СНС имеют также и существенные отличия. Координаты радиомаяков неизменны и заранее известны, тогда как координаты НКА необходимо постоянно находить. Определение текущих координат НКА, движущихся с большими непостоянными относительно потребителя скоростями представляет собой сложную техническую и вычислительную задачу.

При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. Контрольно-измерительные станции расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. По результатам доступных наблюдений в вычислительном центре главной командной станции вычисляются параметры орбит НКА. Они подвергаются математической обработке по алгоритмам устранения погрешностей. Затем на основании обработанных данных составляется прогноз параметров орбиты в фиксированные (опросные) моменты времени вплоть до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Во время сеанса связи эфемериды передаются на НКА, а затем в виде навигационного сообщения, содержащего эфемериды и соответствующие метки времени - потребителям. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты НКА в опорные моменты времени, потребитель может вычислить координаты НКА в произвольный момент времени. Кроме эфемерид в навигационное сообщение закладывается альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС в целом, включая загрубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых НКА и выбора оптимального созвездия.

Общепринятые единицы мер времени.

Рассмотрение принципов построения и функционирования спутниковых навигационных систем невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА к единой шкале времени и т.д.

Принято различать две группы единиц отсчета времени:

Астрономические;

Неастрономические.

Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400сек и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой фиксированной точки отсчета на небесной сфере, для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.

Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками, или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени меридиана.

Местное звездное время измеряется часовым углом положения точки весеннего равноденствия относительно небесного меридиана. Под небесным меридианом понимают проекцию земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах, секундах.

Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движений по конусу - прецессий, и небольших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.

2.2 Солнечные сутки

Навигационные задачи и методы их решения

Навигационной задачей в СНС принято называть нахождение пространственно-временных координат потребителя и составляющих вектора его скорости, в совокупности называемых вектором потребителя. В результате решения навигационной задачи в общем случае должны быть найдены пространственные координаты потребителя (x, y, z), поправка t к шкале времени потребителя относительно шкалы времени СНС и составляющие вектора скорости как производные от координат потребителя по времени.

Потребитель имеет возможность измерять задержку сигнала и доплеровский сдвиг частоты (радионавигационные параметры), а также выделять из сигнала данные альманаха и эфемерид (навигационное сообщение). Геометрические параметры, которые соответствуют радионавигационным, принято называть навигационными параметрами. Так, задержке сигнала ф соответствует дальность R=сф, где с - скорость света; доплеровскому смещению частоты fd соответствует радиальная скорость сближения Vr=fdл, где л - длина волны излучаемого НКА сигнала. Функциональную связь между навигационными параметрами и вектором потребителя называют навигационной функцией. Конкретный вид функции определяется многими факторами: системой координат, характером движения потребителя и т.п.

В открытом пространстве геометрическое место точек с одинаковыми значениями R образует поверхность положения в виде сферы с радиусом R и центром, совпадающим с фазовым центром передающей антенны НКА. При пересечении двух поверхностей положения образуется линия положения - совокупность точек, имеющих два заданных значения навигационного параметра R. Пересечение двух сфер дает линию положения в виде окружности. Местоположение конкретной точки определяется по пересечению двух линий положения или, соответственно, трех поверхностей положения. В ряде случаев две линии положения могут пересекаться в двух точках, что порождает неоднозначность местоположения. Устранить неоднозначность можно лишь введением еще одной линии положения или дополнительной информации о местоположении.

Дальномерный метод.

В большинстве применений СНС можно считать, что потребитель находится на поверхности Земли.

Условно примем форму Земли за идеальную сферическую. Тогда сферу с радиусом R мож-но считать земной поверхностью с центром масс в точке О, а сферу радиусом Ri поверхностью положения, образованной вокруг НКА с центром масс в точке Оi.

Уравнение сферы имеет вид:

Ri= (3.7.1.)

Ri - дальность между i-м НКА и потребителем; xi ,yi ,zi - известные на момент измерения координаты НКА; x, y, z - координаты потребителя.

Пространственные координаты потребителя находят в точке пересечения трех поверхностей положения, описываемых уравнением (3.7.1.). Для наземного потребителя линия положения в случае с одним НКА представляет собой окружность на поверхности Земли. В случае с двумя НКА наземный потребитель может находиться в одной из двух точек, образованных при пересечении двух окружностей. Возникает неоднозначность, которая может быть устранена знанием ориентировочных координат потребителя. Если ориентировочные координаты неизвестны, неоднозначность устраняется измерением дальности до третьего НКА. Таким образом, для определения координат потребителя на поверхности Земли, при условии абсолютной неизвестности предварительных координат, необходимо измерение как минимум трех дальностей до НКА.

В общем случае, когда высота потребителя над поверхностью Земли неизвестна, земная поверхность не может быть принята за одну из поверхностей положения. Тогда в случае со знанием предварительных координат требуется измерение дальностей минимум до трех спутников; в случае с абсолютной неизвестностью предварительных координат необходимо измерение дальностей до четырех спутников.

Если учесть, что некоторые спутники в разные моменты времени могут находиться близко к линии радиогоризонта, что чрезвычайно невыгодно с точки зрения приема радиосигнала и точности измерений, либо быть неисправны, то становится очевидной необходимость нахождения в зоне видимости потребителя как минимум 5-6 НКА, что и обусловливает существующую орбитальную структуру СНС. Меньшее количество видимых НКА снижает доступность, целостность и непрерывность навигационного поля СНС.

В дальномерном методе навигационная задача представляет собой систему уравнений (3.7.1.), где количество уравнений определяется приведенными выше условиями. В уравнениях (3.7.1.) неявно подразумевается, что все величины взяты в один момент времени, но координаты спутника определены в системной шкале времени, а задержки сигнала и координаты потребителя вычисляются в шкале времени потребителя. При расхождении шкал времени на величину t возникает погрешность измерения дальности R = c, приводящая к возрастанию погрешности местоопределения. Приблизить синхронизацию шкал к идеальной можно при помощи использования потребителем эталона измерения времени и частоты, периодически сверяемого с системной шкалой. На практике этот метод нереализуем ля большей части потребителей из-за сложности и дороговизны оборудования и применяется лишь на некоторых контрольных и дифференциальных наземных станциях.

Псевдодальностный метод.

Расхождение шкал t на время проведения измерений можно считать постоянной величиной. Поэтому при измерении дальности до i-того НКА получают псевдодальность R'i, отличающуюся от истинной дальности Ri на постоянную величину R. Уравнение (3.7.1.) для псевдодальности приобретает вид:

R'i = + R. (3.7.2.)

Как и в дальномерном методе, поверхностью положения является сфера с центром в центре масс НКА, но радиус этой сферы изменен на неизвестную величину R. Для определения координат потребителя необходимо решить задачу с четырьмя неизвестными (x, y, z, R). Следовательно, для решения системы уравнений в псевдодальномерном методе необходимо измерить псевдодальности минимум до четырех спутников. При этом по-прежнему возникает пространственная неодназначность, которую стараются, которую стараются исключать при помощи априорного знания или предвычисления координат, в противном случае потребовалось бы измерение псевдодальностей до пяти НКА, что не всегда осуществимо на практике.

Жесткие требования, предъявляемые псевдодальномерным методом к количеству наблюдаемых спутников, реализуются только в среднеорбитальных СНС. Низкоорбитальные СНС обеспечивают периодическую видимость 1 … 2 НКА, поэтому определение координат потребителя в этих системах происходит не в реальном времени, а после проведения последовательных измерений нескольких линий положения по сигналам одного НКА.

Очевидно, что при нахождении постоянной погрешности R = c потребитель одновре-менно находит и величину расхождения , что позволяет ему синхронизировать свою шкалу вре-мени с системной. Благодаря этой возможности значительно упрощается аппаратура потребителя, что и обусловило преимущественной применение псевдодальномерного метода.

Разностно-дальномерный метод.

Разностно-дальномерный метод основывается на измерении разности дальностей от потребителя до одного или нескольких НКА, и по сути своей аналогичен псевдодальномерному методу, поскольку в результатах измерения так же присутствует неизвестная постоянная величина R.

Разностно-дальномерный метод использует три разности , вычисленные для четырех спутников, так как в этом выражении R постоянная и уничтожается при вычитании. Следовательно, вычисление разностей псевдодальностей равносильно вычислению разностей истинных дальностей. В данном случае навигационным параметром является R'ij, а поверхность положения представляет собой двуполостной гиперболоид вращения, фокусами которого являются центры масс i-го иj-го НКА. Расстояние между фокусами называют базой.

Недостатком метода является невозможность определения смещения шкалы времени потребителя.



2.3 Прочие методы решения навигационной задачи

Кроме описанных методов решения навигационной задачи, существуют следующие методы:

Радиально-скоростной (доплеровский).

Псевдорадиально-скоростной.

Разностно-радиально-скоростной.

Комбинированный.

Радиально скоростной метод основан на измерении трех радиальных скоростей перемещения НКА относительно потребителя. Физическую основу метода составляет зависимость радиальной скорости точки относительно НКА от координат и относительно скорости НКА. На практике для измерения радиальных скоростей используется доплеровское смещение, что порождает ряд недостатков. Во-первых, потребитель должен обладать высокостабильным эталоном частоты во избежание дополнительных погрешностей при измерении доплеровского сдвига; во-вторых, в среднеорбитальных СНС использование метода осложняется ввиду медленного измерения радиальной скорости. По этой причине в СНС ГЛОНАСС и GPS радиально-скоростной метод применяется только для определения составляющих скорости потребителя.

Псевдорадиально-скоростной метод позволяет определять вектор скорости потребителя при наличии неизвестного постоянного смещения частоты сигнала. Для определения вектора скорости потребителя требуется решить систему из четырех уравнений. В свою очередь, для решения системы уравнений необходимо знание дальностей Ri и координат (x,y,z) потребителя. Эта информация может быть получена из псевдодальномерных измерений.

Разностно-радиально-скоростной метод заключается в определении трех разностей , где ` обозначены производные от дальности по времени. Разности могут вычисляться относительно одного или различных НКА. Если предполагать, что смещение частоты определяется исключительно нестабильностью эталона потребителя и одинаково для всех НКА, то при вычислении разностей можно использовать и псевдорадиальные скорости, поскольку при вычитании смещение компенсируется. Достоинством метода при определении составляющих скорости потребителя является его независимость от нестабильности эталонов частоты, а недостатком - невозможность определения этой нестабильности.

Комбинированные методы кроме СНС используют дополнительные измерители координат, имеющиеся у потребителя. Например, при наличии у потребителя измерителя высоты с удовлетворительными параметрами, можно исключить одно измерение дальностей до НКА. Можно также комбинировать способы измерения, например, вместо четырех измерений псевдодальнос-тей до четырех НКА применить измерение двух псевдодальностей до двух НКА, но в разные мо-менты времени.



3. Система глобального позиционирования NAVSTAR

Законченная система GPS NAVSTAR, как и ГЛОНАСС, состоит из трех сегментов: космического, управляющего, пользовательского.

3.1 Космический сегмент

Полное созвездие NAVSTAR GPS состоит из 24 действующих и не менее резервных НКА. Действующие НКА движутся по шести круговым орбитам. НКА движутся на высоте 10900 морских миль, что соответствует примерно 20180 км. Период обращения НКА 11 ч 58 мин.

Распределение НКА по орбитам подобрано таким образом, что в зоне видимости над каждой точкой земной поверхности находится созвездие как минимум из пяти НКА. Одновременно используется два типа НКА, которые получили названия: «Block llR» и «Block llF». Размеры каждого НКА составляют около 1,5 м в ширину и 5,3 м в длину, включая солнечные панели.

Важнейшим элементом каждого НКА являются рубидиевые и цезиевые атомные стандарты частоты («часы»), по четыре модуля на каждом НКА. Несмотря на то, что бортовые «часы» сами по себе чрезвычайно точны, их показания периодически корректируются с Земли.

Кроме стандартов частоты и передатчиков в состав бортового оборудования входят: синтезатор частот, блоки формирования навигационных сигналов, одна основная и две резервных бортовых ЭВМ, системы ориентации и коррекции орбиты, телеметрии, приема и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления .

НКА способны определенное время функционировать без контакта с Землей: от 14 и до минимум 180 дней.



3.2 Сегмент управления

Сегмент управления отслеживает движение НКА и выполняет периодическую корректировку орбит, корректирует их эфемеридные константы и устраняет накапливающиеся ошибки бортовых часов. США располагают пятью полностью автоматическими станциями слежения, в будущем планируется создание еще одной станции наблюдения.

Координаты каждой приемной станции определены с очень высокой точностью, и каждая станция оснащена цезиевыми атомными часами. Сигнал от каждого НКА принимается всеми станциями слежения. Поскольку заранее известны координаты приемных станций и эталонное время вычисляются псевдодальности, и рассчитывается точное положение НКА на орбите. Измеренные данные передаются на главную управляющую станцию. На этой станции осуществляется сбор и обработка данных, полученных от остальных наземных станций.

Кроме основных данных на главную станцию поступают данные от астрофизических и метеорологических НКА. Дело в том, что состояние ионосферы Земли значительно влияет на скорость распространения радиосигнала.

В результате обработки полученной информации вычисляются новые эфемериды НКА (данные о положении НКА на орбите) и ошибка бортовых часов.

Один раз в сутки эфемериды и уточненные показания часов загружаются на НКА при помощи сети наземных передающих антенн, расположенных по всему миру. Наземные антенны также используются для приема телеметрической информации о состоянии бортового оборудования НКА. Для обеспечения надежного сервиса для конечных пользователей, каждый НКА кроме навигационных данных передает информацию, именуемую health status- «состояние здоровья». На основании этой информации приемник пользователя принимает решение, следует ли принимать во внимании данные с конкретного НКА.

Сегмент потребителей

Сегмент потребителей GPS состоит из приемников и некоторых дополнительных устройств, таких как антенны, интерфейс с исполнительными устройствами, а также вспомогательного программного обеспечения. В простейшем случае приемник получает от НКА навигационные данные. Однако для большинства применений столь скромных возможностей недостаточно.

Области применения GPS на сегодняшний день:

Военные задачи;

Авиация;

Морской транспорт;

Наземный транспорт;

Геодезия и картография;

Строительство;

Сельское хозяйство;

Добыча полезных ископаемых;

Спасательные работы;

Системы безопасности;

Службы точного времени;

Частное использование в быту (туризм, охота, хобби).

В соответствии с областью применения конструкции и возможности приемников GPS могут значительно отличаться. Так, например, существуют приемные устройства, единственной задачей которых является получение сигналов точного времени и образцовой частоты. Наиболее часто такие устройства используются в системах мобильных коммуникаций, а также для проведения технических измерений и научных экспериментов.



4. Система глобального позиционирования ГЛОНАСС

4.1 Краткая история создания системы

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС имеет уже практически 40-летнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 года в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли. Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определять параметры движения этого спутника.

Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ определить координаты пункта наблюдения.

В то же время первое научно-обоснованное предложение об использовании ИСЗ для навигации родилось в Ленинграде еще до запуска первого советского ИСЗ в период проведения под руководством профессора Шебшаевича В.С. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А.Ф. Можайского в период с 1955 по 1957 г.г. исследований возможностей радиоастрономических методов для самолетовождения. Материалы исследований возможностей докладывались в октябре и декабре 1957 года на межведомственной конференции и семинаре.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме «Спутник» (1958-1959 г.г.), которые осуществляли ЛВВИА им. А.Ф. Мо-жайского, Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР, два морских НИИ и Горьковский НИРФИ. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике и расчетам орбит. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 году к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей название «Цикада».

Вот что написал в 1992 году о решении этой задачи Генеральный конструктор космических систем навигации и связи академик М.Ф. Решетнев:

«Полномасштабные работы по созданию отечественной навигационной спутниковой системы были развернуты в середине 60-ых годов, а 27.11.1967 года был выведен на орбиту первый навигационный отечественный спутник («Космос-192»).

В дальнейшем спутники системы «Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов.

Одной из центральных проблем созданий спутниковой системы, обеспечивающие беззапросные навигационные определения одновременно по нескольких спутникам, является проблема синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10-15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовало установки на спутниковых высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1*Е-13 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1*Е-14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3-5 нс.

Другой проблемой создания высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников.

Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутников потребовало проведение большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1992 года запуском спутника «Космос 1413 «…»

В 1995 году было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 КА).

Разработаны самолетная аппаратура А-737, «Интер» (МКБ «Компас»), А-744, СНС-85, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура «Шкипер» и «Репер» (РНИИ КП), «Бриз» (КБ «Навис»), и др.

Работы по созданию спутниковых радионавигационных систем осуществлялись большим коллективом проектных и научно-исследовательских организаций: НПО прикладной механики, Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения, Российский институт радионавигации и времени, МКБ «Компас», НИУ МО. Важную роль сыграла координация работ со стороны Комиссии по военно-промышленным вопросам при СМ СССР, прежнего Министерства общего машиностроения, Военно-космических сил МО.

4.2 Общая характеристика и состав системы

Основное назначение СРНС второго поколения ГДОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоо-битальных космических. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижный объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости.

Система разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ (Космические войска). Распоряжением Президента РФ №38-рп от 18.02.99 г. ГЛОНАС придан статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. Определено также, что федеральным органам исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство обороны РФ и Российское космическое агентство (сейчас Российское авиационно-космическое агентство). Координация вопросов развития и использования системы осуществляется Межведомственной комиссией «Интернавигация» и образованной в соответствии с Постановлением Правительства РФ №346 от 29.03.1999 г. межведомственной оперативной группой.

В интересах мирового сообщества ГЛОНАСС используется в соответствии с Постановлениями Правительства РФ №237 от 07.03.95 г. и №346 от 29.03.99 г. Россия предоставляют систему в стандартном режиме ля гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы.

Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту являются НПО прикладной механики, а по НКА - ПО «Полет» (г. Омск).

Головным разработчиком радиотехнических комплексов (подсистем) является РНИИ КП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определен Российский институт радионавигации и времени (РИРВ). К созданию НАП в последующем были привлечены и самостоятельно подключились также другие организации.

Документом, устанавливающим взаимоотношения потребителей с системой, является Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. Информирование потребителей о состоянии системы осуществляется через Координационный научно-информативный центр Министерства обороны РФ (КНИЦ МО РФ), а также через Информационно-аналитический центр (ИАЦ) координатно-временного обеспечения (КВО) Центр управления полетами (ЦУП) Российского авиационно-космического агентства.

В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппаратуры (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью Земли. Использование в бортовых эталонах времени и частоты (БЭВЧ) НКА атомных стандартов частоты (АСЧ) позволяет обеспечить в системе взаимную синхронизацию навигационную радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА. В НАП на подвижном объекте принимаются радиосигналы не менее чем от четырех радиовидимых НКА, которые используются для определения не менее, чем четырех соответствующих псевдодальностей (ПД) и радиальных псевдоскоростей (ПС). Результаты определений и эфемеридная информация (ЭИ), принятая от каждого НКА, позволяют определить (уточнить) три координаты и три составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы.