Система глобальной навигации. Общие сведения, решае­мые задачи, состав.

    Спутниковые системы навигации предназначены для определения местоположения летательного аппарата в пределах зоны действия входящих в систему искусственных спутников Земли.

    В состав ССН входят: наземные станции, группа искусственных спутников Земли, бортовое оборудование ВС.

    Наземные станции обеспечивают слежение за ИСЗ, вычисление и прогнозирование параметров их орбит, коррекцию эталонных генераторов ИСЗ и ввод поправок времени и параметров орбиты в память ИСЗ.

     Искусственные спутники передают данные о параметрах своей орбиты на момент измерений и навигационные сигналы для определения местоположения ВС, а также принимают и производят запись прогнозируемых наземными станциями параметров орбит.

     Бортовое оборудование производит определение навигационных параметров и вычисление координат ВС по принимаемой от ИСЗ информации или в более простом варианте ретрансляцию сигналов ИСЗ.

     В качестве навигационных параметров в ССН используются расстояние, разность расстояний, угловое положение и другие, отсчитываемые относительно одного или группы ИСЗ. Перспективными для авиационных целей считаются дальномерные и разностно-дальномерные ССН.

   Спутниковые системы первого поколения - это американская система Transit и советская система Цикада. Система Transit изначально разработанная для управления подводными лодками была запущена в 1964 году и состояла из 7 низкоорбитальных спутников. С 1967 г. она стала доступна для гражданских пользователей. В 2000 году система была выведена из эксплуатации.

Развертывание системы Цикада было начато в 1967 года, когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник. Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Советский Союз и Россия имеет военный вариант системы, называемый «Циклон».

В обеих системах координат определялись на основании доплеровского сдвига частоты от каждого спутника, по которому определялось положение наблюдателя относительно спутника. Высота орбит спутников и в той, и в другой системе 1000 км, точность навигации около 100 м. Хотя эти системы и покрывали основные потребности в навигации судов, но имели и существенные недостатки – низкое быстродействие, отсутствие непрерывной доступности, возможность позиционировать только медленно движущиеся объекты и др.

Спутниковые системы второго поколения - это уже работающие, или вводимые в эксплуатацию, системы это американская NAVSTAR (GPS), российская ГЛОНАСС, европейская ГАЛИЛЕО, китайская БЕЙДОУ, индийская IRNSS.

GPS (Global Positioning System) – спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное определение координат объектов в любой точке земной поверхности в любое время суток. Другое название этой системы – NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range), т.е. навигационная система, обеспечивающая измерение времени и расстояния.

GPS была разработана в США и находится под управлением министерства обороны. Развертывание системы началось в 1977 г., когда был запущен первый спутник, а осуществлено полностью в 1993 г. Первоначально основным назначением GPS была высокоточная навигация военных объектов, но уже в 1983 г. система стала открытой для гражданского использования, а в 1991 г. были сняты ограничения на продажу GPS - оборудования странам бывшего СССР. На 14 ноября 2011 года в орбитальную группировку входит 31 спутник.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Первый спутник был запущен в 1982 году, в 1995 развертывание системы было закончено, было запущено 24 спутника, однако многие из них вышли из строя, и до недавнего времени система не функционировала в полном объеме. Запуск новых спутников в 2009-2011 гг. существенно изменил ситуацию. На 14 ноября 2011 года в орбитальную группировку входило 30 спутников, из которых 23 использовалось по целевому назначению. Таким образом, в конце 2011 года ГЛОНАСС стала обеспечивать навигацию практически по всему Земному шару.

Галилео – Европейская спутниковая навигационная система. Первые экспериментальные спутники были запущены в 2005 и 2008 гг. В октябре 2011 были запущены два первых рабочих спутника, еще два предполагается запустить в 2012 году. Всего предполагается к запуску 30 спутников. 27 рабочих и 3 запасных.

Бэйдоу (китайской название созвездия Большой Медведицы) – китайская спутниковая навигационная система. 27 июля 2011 года был запущен 9-й спутник. Предполагается, что в пределах Азиатско-Тихоокеанского региона система начнет оказывать навигационные услуги уже в 2012 году. Полностью развертывание системы, состоящей из 35 спутников, намечено завершить в 2020 г.

IRNSS индийская навигационная спутниковая система, находиться в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

В зависимости от класса используемого наземного оборудования точность определения координат объектов при помощи GPS и ГЛОНАСС лежит в интервале от 10 м до единиц миллиметров (точность определения абсолютных координат на Земле), а время проведения измерений в большинстве случаев составляет от секунд до единиц минут. На сегодняшний день методы спутниковой навигации являются наиболее точными из всех существующих для определения координат наземных и околоземных объектов.

 

                 Система глобальной навигации

 

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого надо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положения всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел – мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до всех спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определенности скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника, его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приеме сигнала вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определенными координатами. Для определения трех координат наблюдатель должен получать сигналы не менее чем от 4-х спутников.

GPS дает высокоточную информацию о местоположении, высоте и скорости ВС. Используя дифференциальную GPS, пилоты могут вычислять координаты ВС с метровой точностью в любой точке земного шара и в любое время.

Система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) предназначена для определения местоположения, скорости движения и точного времени. Космический сегмент включает 24 спутника, излучающих непрерывные радионавигационные сигналы, которые формируют сплошное радионавигационное поле на поверхности земли и околоземном пространстве.

 

                         Принцип работы спутниковых навигационных систем.

                                    Принцип работы GPS и Глонасс.

 

Чтобы представить себе базовый принцип работы спутниковой навигационной системы (для краткости будем называть ее GPS) рассмотрим упрощенную модель системы в одномерном случае (рис). Пусть два спутника расположены в точках A и B, координаты которых известны. Наблюдатель с GPS-приемником находится в точке X, — внутренней точке отрезка прямой AB Расстояние AB между точками A и B известно (так как известны координаты). На спутниках установлены высокоточные синхронизированные атомные часы. В портативной аппаратуре наблюдателя такие часы установить невозможно и там установлены часы более простой конструкции, которые не синхронны часам на спутниках. Пусть каждый из спутников в момент времени t=0 излучает короткий радиоимпульс. Наблюдатель принимает сигналы от спутников в моменты времени t_А  и t_B по своим часам и вычисляет расстояния до спутников А и В: по формулам AX’=c·t_А , BX’=c·t_В., где c – скорость света. Если бы часы наблюдателя были синхронны с часами на спутниках, то это и были бы координаты наблюдателя относительно спутников. Однако наблюдатель догадывается, что его часы опережают часы на спутниках на время Δt, но не знает величины Δt. Апостроф в выражениях AX’ и BX’ и означает, что это не действительное расстояние до спутников, а так называемые «псевдодальности». Для получения действительного расстояния надо учесть ошибку часов Δt. Тогда действительные расстояния будут:

AX= AX’ – c·Δt = c·t_А - c·Δt                                                                         (1)

BX= BX’ - c·Δ t= c·t_В - c·Δt,                                                                         (2)

Вычитая второе уравнение из первого, получаем:

AX - BX=c·(t_А - t_В),                                                                                      (3)

Расстояние между спутниками известно:

AX + BX=AB,                                                                                               (4)

Складывая уравнения (3) и (4), получаем:                                                     

AX= [AB + c·(t_А - t_В)] / 2.

 

Данный пример показывает, что для устранения ошибки часов наблюдателя и вычисления истинного расстояния до спутников число измеряемых «псевдодальностей» должно быть на 1 больше, чем число координат, которые нужно определить. Т.е. для определения одной координаты наблюдатель должен принимать сигналы от двух спутников, для определения двух координат на плоскости необходимо принимать сигналы от трех спутников, а для получения трех координат в пространстве (плоские координаты и высота над Землей) - по крайней мере, от четырех спутников. По измеренным «псевдодальностям» приемник наблюдателя определяет истинное расстояние до спутников и далее пересчитывает его в земные координаты, поскольку положение всех спутников относительно Земли известно.

Конечно, реальные сигналы от навигационных спутников представляют собой не просто короткие импульсы, а сигналы сложной формы, которые излучаются на разных частотах и являются не только метками времени, как в рассмотренном примере, но несут еще информацию о спутнике, который их излучает и всей орбитальной группировке.

 

Общая характеристика систем ГЛОНАСС и GPS.

Каждая из систем состоит из трех сегментов:

1. Собственно спутники, или космический сегмент.

2. Cегмент управления, включающий сеть станций слежения по всему земному шару и центральный пункт управления. Станции принимаю сигналы от спутников, отслеживают их орбиты и осуществляют управление спутниками.

3. Сегмент пользователей – т.е. тех, кто непосредственно использует приемники сигналов для определения координат.

 

                  

                                    Состав систем спутникового позиционирования.

 

Рассмотрим состояние и работу каждого из этих сегментов для ГЛОНАСС и GPS (на ноябрь 2011 г).

Космический сегмент.

Как было отмечено, выше для определения трех координат наблюдатель должен получать сигналы не менее чем от 4-х спутников. Высоты орбит спутников у ГЛОНАСС и GPS, таковы, что для обеспечения круглосуточной навигации на всем земном шаре (т.е. видимость не менее 4-х спутников в любой точке в любое время) необходимо не менее 24 спутников. На 14 ноября 2011 года орбитальная группировка ГЛОНАСС состояла из 30 спутников, из них 23 в рабочем состоянии, остальные на этапе ввода в эксплуатацию, техобслуживании, или в резерве. Орбитальная группировка GPS на эту же дату состояла из 31 спутника. Число работающих спутников меняется в зависимости от вывода на орбиту новых и выхода из эксплуатации старых.

Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей Министерства обороны России, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения. Сигналы ВТ обеспечивают более высокую точность местоопределения.

 

            Пространственная структура орбитальных группировок ГЛОНАСС и GPS.

 

  Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS.

 

Параметр	ГЛОНАСС	GPS
Штатное число спутников	24	24
Распределение спутников по орбитальным плоскостям	По 8 в трех плоскостях	По 4 в шести плоскостях
Ориентация орбитальных плоскостей	Развернуты через 120 градусов	Развернуты через 60 градусов
Период обращения	11 час 16 мин	11 час 58 мин
Средняя высота орбиты над Землей[1]	19130 км	20180 км
Количество рабочих частот	12 в каждом из диапазонов L1, L2	Одинаковые частоты L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 у всех спутников
Используемая система координат	Основывается на эллипсоиде ПЗ90	Основывается на эллипсоиде WGS-84

В сегмент управления ГЛОНАСС входят:

1. Центр управления системой (г. Краснознаменск Московской области);

2. Центральный синхронизатор (г. Щелково Московской об­ласти);

3. Командные станции слежения (Санкт-Петербург, Воркута, г. Щелково Московской области, Якутск, Енисейск, Улан-Удэ, Уссурийск и Петропавловск-Камчатский);

4. Навигационная система контроля фаз сигналов (г. Щелково Московской области);

5. Квантово-оптическая станция (г. Комсомольск-на-Амуре);

6. Аппаратура контроля навигационного поля (г. Щелково Московской области).

В сегмент управления GPS входят наземные станции слежения и управления, находящиеся в США (главная станция управления в штате Колорадо), а также на американских военных базах на Гавайских островах, на атолле Кваджалейн в Тихом океане, на острове Вознесения в Атлантическом и на острове Диего-Гарсия в Индийском океанах.

Собираемая наземными станциями информация обрабатывается и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления данных, содержащихся в навигационных сигналах со спутников.

Сегмент пользователя представлен различными типами приемных устройств, которые могут быть как автономными, так и входить в состав специальных блоков, встроенных в автоматизированные системы навигации.

                                                          

                                              Сигналы GPS спутников.

Принципиально все нижеизложенное, за исключением структуры спутниковых сигналов, справедливо и для системы ГЛОНАСС.

GPS спутники передают сигналы в которых закодированы специальные сигнальные коды и «навигационное сообщение».

Сигнальные коды служат для определения задержки распространения сигнала от спутника до приемника и определения расстояния между приемником и спутниками

Навигационное сообщение содержит информацию о положении спутников, поправках времени и другую, необходимую для пересчета расстояний до спутников в координаты на Земном шаре.

Для военных пользователей первоначально предназначался обеспечивающий большую точность, так называемый Защищенный код или P-код (Protected). Для гражданских пользователей - Код свободного доступа C/A-код (Coarse Acquisition).

Однако со временем в результате утечки секретной информации, доступ к P-коду получил широкий круг специалистов. После этого американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P- кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.

С/А был предназначен для гражданских пользователей, однако оказалось, что точность местоопределения при приеме этого кода значительно выше, чем было запланировано. Чтобы обеспечить преимущество военным пользователям системы, министерство обороны США ввело принцип выборочной пригодности SA (Selective Availability). Суть его состоит в том, что в данные для С/A-кода вводится случайная ошибка. Это снижает точность работы любого приемника, использующего такой сигнал. Величина ошибки такова, что в 95% случаев отклонение координат от истинного значения не превышает 100 м. Использование SA было отменено в мае 2000 г. однако может быть возобновлено в любой момент.

 

                                            Методы определения координат.

По принимаемым радиосигналам наблюдатель может определить свои координаты на поверхности Земли и высоту над уровнем моря. Он может использовать только сигналы от GPS-спутников (в этом случае говорят о «базовом» или «простом» GPS-методе) или принимать дополнительно уточняющие сигналы от наземных станций или не GPS-спутников. Эти уточняющие сигналы называются «дифференциальными поправками», и в этом случае говорят о «дифференциальном» GPS-методе (DGPS).