Спутниковые радионавигационные системы

Введение

Проблема определения точных географических координат на местности была актуальна с давних времен. Древние мореплаватели во время своих путешествий ориентировались днем по Солнцу, а ночью - по звездам. Зная небесные координаты светил и определив их высоту над горизонтом и часовой угол, можно было сориентироваться в пространстве и определить расстояние до конечного пункта назначения. Однако погодные условия не всегда были на руку путешественникам, поэтому не представляло особого труда сбиться с курса.

С появлением компаса, простейшего прибора, представлявшего собой магнитную стрелку, закрепленную на оси, задача навигации существенно упростилась. Теперь путешественник уже в меньшей степени зависел от погоды. В начале 20-го века был сконструирован гирокомпас. Это точный и надежный прибор, в отличие от обычного компаса указывает направление на истинный географический, а не магнитный полюс.

Изобретение радио открыло перед человеком новые возможности. С появлением радиолокационных станций, когда стало возможно измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отраженному от его поверхности лучу радиолокатора, встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. Появились различные радионавигационные средства.

Наконец, в 60-е годы 20-го века, с выходом человека в космос, осуществилась практическая возможность разработки систем глобального позиционирования, использующих принцип вычисления географических координат объекта на основе измерения расстояний до  спутников в космосе.

Спутниковая радионавигация является одним из перспективных направлений прикладной космонавтики. Она обеспечивает качественно новый уровень координатно-временного обеспечения наземных, морских, воздушных и космических потребителей. Это подтверждается такими важными достоинствами современных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS (NAVSTAR), как глобальность рабочей зоны, неограниченная пропускная способность, скрытность, живучесть, беспрецедентно высокая точность и непрерывность измерений пространственных координат потребителей, их скорости движения и пространственной ориентации, текущего времени и т.д. Указанные свойства СРНС предопределили возможность рассмотрения вопроса об использовании в перспективе СРНС в качестве единственного средства для определения местоположения летательного аппарата (ЛА) и времени. В настоящее время предусматривается использование СРНС не только в целях навигации, но и для наблюдения за воздушным пространством в целях УВД (принцип зависимого наблюдения). Кроме того, предполагается использование СРНС для сокращения минимума эшелонирования, обеспечения опознавания ЛА в рамках реализации концепции координатно-временного опознавания ("свой чужой").

Таким образом, целью данной курсовой работы является определение основных сведений о спутниковых радионавигационных системах, их назначении; изучение задач, решаемых с их помощью, а также основных методов определения местоположения пользователя.

Задачами данной работы являются:

- обобщение     сведений     касающихся     глобальных     спутниковых радионавигационных  систем: назначение, область применения, задачи, решаемые с их помощью.

-  определение основных составных  частей СРНС;

-  рассмотрение геоцентрической  системы координат;

-  анализ СРНС  ГЛОНАСС и  Navstar;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения о  глобальных спутниковых радионавигационных  системах.

1.1. Принцип действия  СРНС.

Спутниковая радионавигационная система (СРНС) - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Роль опорных радионавигационных точек (РНТ) СРНС выполняют искусственные спутники Земли, несущие навигационную аппаратуру (НИСЗ).

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. На НИСЗ размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.

Рис. 1.1.1. Система навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ).

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;

Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

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

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость, пройденный путь и т. д.

 

1.2. Описание современных  спутниковых радионавигационных  систем.

Основное назначение СНРС ⎯ глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижной объект, оснащенный навигационным приемником (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения ⎯ три координаты и три составляющие вектора скорости. Принципы построения СРНС ГЛОНАСС, NAVSTAR и GALILEO в общих чертах идентичны, но отличаются техническим выполнением подсистем.

Архитектура спутниковых радионавигационных систем.

Современные СРНС включают в себя три сегмента (рис 1.2.2.): орбитальную группировку (ОГ) НКА (космический сегмент); наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НКА (сегмент управления); аппаратуру пользователей (сегмент потребителей)..

Рис. 1.2.2. Сегменты спутниковых радионавигационных систем.

В СРНС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой ∼20000 км над поверхностью Земли. Таким образом, за сутки каждый НКА совершает примерно 2 оборота вокруг Земли. Благодаря использованию атомных стандартов частоты (АСЧ) на НКА в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА. В НАП на подвижном объекте в сеансе навигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех радиовидимых НКА и используются для измерения трех разностей дальностей и трех разностей радиальных скоростей объекта относительно четырех НКА. Результаты измерений 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 (ТТТВ) объекта относительно ТТТВ системы. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не передает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА.

Радионавигационное поле в СРНС наряду с основной функцией (глобальная автономная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить:

- локальную высокоточную навигацию  наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных  методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций;

- высокоточную относительную геодезическую  «привязку» удаленных наземных  объектов;

- взаимную синхронизацию стандартов  частоты и времени на удаленных  наземных объектах;

- неоперативную  автономную  навигацию   среднеорбитальных   космических объектов;

- определение  ориентации   объекта  на  основе   радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

Формирование радионавигационного поля (на примере ГЛОНАСС).

Навигационные      радиосигналы,      излучаемые      штатными      НКА,      образуют радионавигационное поле в околоземном пространстве.

В СРНС ГЛОНАСС каждый штатный НКА излучает навигационные радиосигналы в сторону Земли с помощью передающих антенн, рабочая часть диаграммы направленности (ДН) которых имеет ширину 2=38° и «освещает» диск Земли с избытком до высоты h0 над поверхностью.

Рис. 1.2.3. Продольное сечение радиолучей.

Рабочую часть ДН можно представить в виде конусного радиолуча. Изображение продольных сечений конусных радиолучей передающих антенн НКА дано на рис.1.2.3. Конусный луч сплошной до встречи с Землей, а за диском Земли становится полым.

При полной орбитальной группировке (24 штатных НКА) радионавигационное поле на высотах h < h0 = 2000 км непрерывно в пространстве, т.е. потребитель в любой точке этого пространства «освещается» радиолучами не менее чем от четырех НКА, образующих по отношению к нему удовлетворительное по геометрическому фактору созвездие для оперативного автономного определения координат и вектора скорости.

Космический сегмент.

Основной геометрической характеристикой орбитальной группировки штатных НКА в СРНС, от которой зависит точность навигации наземных потребителей, являются геометрические свойства созвездия НКА, которое «видит» наземный потребитель. Минимально необходимое для наземного потребителя     оптимальное     созвездие содержит четыре НКА: один НКА вблизи зенита,    три   НКА    вблизи   горизонта равномерно разнесены по направлению.

Полная проектная орбитальная группировка (ОГ) в СРНС ГЛОНАСС содержит 24 штатных НКА на круговых орбитах с наклонением i=64,8°относительно экваториальной плоскости в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120° (рис. 1.2.4.). Номинальный период обращения НКА равен Т=11 ч 15 мин 44 с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°, и аргументы широты восьми НКА в трех орбитальных плоскостях сдвинуты на ±15°. За время эксплуатации НКА на орбите (до 7,5 лет) реальные положения НКА в ОГ могут отличаться от номинальных не более чем на ±5°.

Рис.1.2.3. Созвездие НКА NAVSTAR-GPS        Рис.1.2.4. Созвездие НКА ГЛОНАСС

Полная ОГ в системе NAVSTAR-GPS содержит 24 штатных НКА на круговых синхронных орбитах с периодом обращения Т ≈ 12ч 00 мин (высота орбиты составляет около 20200 км над поверхностью Земли) в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением i=55° относительно экваториальной плоскости, долготы восходящих узлов которых смещены с интервалом номинально 60° (рис. 1.2.5.). Четыре спутника не распределены равномерно в пределах одной плоскости - по два спутника обособленно, с углом между ними приблизительно 30 градусов.

Европейский союз совместно с Европейским космическим агентством приняли решение строить систему GALILEO таким образом: чтобы она была, с одной стороны, максимально совместимой с Американской Navstar GPS, но с другой стороны, могла функционировать абсолютно независимо от нее. Таким образом, созвездие спутников GALILEO будет состоять из 27 спутников в трех орбитальных плоскостях, каждая с         9 спутниками, равномерно распределенными в пределах круговой орбиты. Ключевые параметры - орбитальный радиус будет равен приблизительно 23600 километров и склонение 56 градусов относительно экваториальной плоскости. Чтобы обеспечивать необходимую избыточность на орбите и позволить быстрое восстановление в случае отказа спутников, предполагаются три активных резервных спутника, по одному в каждой орбитальной плоскости.