Спутниковые системы радиоместоопределения

Спутниковые системы радиоместоопределения.

2.1 Исторический экскурс.

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

Эффект Допплера (по имени австрийского физика К. Допплера) состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний.

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

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме «Спутник «(1958—1959 гг.). 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 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения «Цикада «в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. 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 5 … 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 проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычислению коэффициентов 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.

ЭФЕМЕРИДЫ (в астрономии) — координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.

Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры «Шхуна «и «Челн ». 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.).

Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники «Цикада «образуют системы «Коспас ». Совместно с американо-франко-канадской системой «Сарсат «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.

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.

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

В рассматриваемый период времени в США также проведены интенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколения атомных ракетных подводных лодок «Полярис «была создана система «Транзит «(аналог СРНС «Цикада »), введенная в строй в 1964 г.

В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго поколения — ОР5/ «Навстар «(аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993.

В данном реферате рассматриваются системы радиоместоопределения (в дальнейшем — местоопределения), задачей которых является контроль за перемещением подвижных объектов в центре сбора информации о местоположении и движении объектов или, как иногда это называют, сопровождение подвижных объектов.

Спутниковые системы местоопределения подвижных объектов базируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу сигналов между подвижным объектом, искусственным спутником Земли (ИСЗ) и наземной станцией, При этом подвижный объект, ИСЗ и наземная станция оснащаются радиотехническим оборудованием в зависимости от используемой конфигурации системы и метода определения координат объекта. Далее будут рассмотрены три наиболее распространенных типа конфигурации систем местоопределения.

3. Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему.

Спутниковой радионавигационной системой принято называть систему, в которой группировка ИСЗ выполняет роль опорных радионавигационных точек. К числу таких систем относятся NAVSTAR (США) и «Глонасс «(Россия). NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System).

Эти системы относятся к категории пассивных систем с самоопределением. В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, а аппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналов ИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данных навигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются только на самом объекте, т. е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятое название этой аппаратуры — аппаратура потребителя спутниковой навигации (АПСН).

Схема построения системы радиоместоопределения и сопровождения подвижных объектов на основе спутниковой радионавигационной системы представлена на Рис. 1.

Аппаратура, устанавливаемая на подвижном объекте — аппаратура потребителя, осуществляет прием на направленную антенну навигационных сигналов одновременно от нескольких ИСЗ (не менее 4-х), находящихся в зоне видимости. По поступающей от ИСЗ кодовой информации о параметрах излучаемого со спутника сигнала, а также данных об орбитальных параметрах движения ИСЗ (эфемеридная информация) в ЭВМ аппаратуры потребителя по заложенным алгоритмам определяются географические координаты подвижного объекта, скорость и направление движения.

Данные о координатах и скорости подвижного объекта могут представляться потребителю в визуальной форме на табло и запоминаются с регистрацией времени измерения.

Для передачи навигационных параметров подвижного объекта в центр сбора данных на подвижном объекте используется отдельный канал связи подвижной спутниковой службы (ПСС). В данной схеме указан канал спутниковой связи подвижного объекта с наземной станцией центра сбора через геостационарный спутник связи (ГСС). Сеанс измерения навигационных параметров и их передача от подвижного объекта включается по запросу из центра сбора При этом не требуется вмешательства оператора на подвижном объекте.

Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (NAV igation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System) создана для высокоточного навигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, воздухе, на земле и в воде.

В ее состав входят навигационные спутники, наземный комплекс управления и аппаратура потребителей (пользователей). Применяемый в системе принцип состоит в том, что специальные приемники, установленные у потребителей, измеряют дальности до нескольких спутников и определяют свои координаты по точкам пересечения поверхностей равного удаления. Величина временной задержки определяется сопоставлением кодов сигналов, излучаемых спутником и генерируемых приемным устройством, методом временного сдвига до их совпадения Временной сдвиг определяется по часам приемника. Для нахождения широты, долготы, высоты и исключения ошибок в определении временного сдвига, приемник пользователя должен «видеть» и принимать навигационные сигналы от четырех спутников.

Скорость определяется по доплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала спутника, вызываемому движением пользователя. Доплеровский сдвиг замеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника и генерируемых приемником.

Навигационные сигналы излучаются на двух частотах L-диапазона (L-band, полосы радиочастот от 390 до 1550 МГц); 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2). На L2 излучаются сигналы с военным кодом P (Y) с высокоточной информацией и защищенным от имитационных помех.

P-код представляет из себя последовательность псевдослучайных бистабильных манипуляций фазы несущей частоты с частотой следования, равной 10,23 МГц и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируется им в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На L1 излучаются сигналы и с военным кодом P (Y) и с общедоступным гражданским кодом, который часто называют C/A. Прием сигналов по коду P (Y) обеспечивает работу с высокой точностью измерений. Сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислить дополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу, что значительно повышает точность измерений навигационных данных.

Прием сигналов на частоте L1 с кодом C/A не позволяет определить ошибки, вносимые ионосферой. Структура кода C/A обеспечивает худшие характеристики в режиме SPS (стандартная точность измерений). Так, если в режиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают 22−23 метра, высоты — 27−28 метров и времени — 0,09 мкс, то в SPS они увеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс. Первоначально режим SPS был необходим для грубого определения пользователями своих координат для вхождения в код P (Y). В настоящее время уровень электроники программного обеспечения и методов обработки навигационной информации позволяет осуществлять достаточно быстрый захват P (Y) без кода С/А, а также проводить высокоточные определения по фазе несущей сигнала. Кроме того, полностью отработанный наземный автоматический режим дифференциальной коррекции позволяет в ограниченном регионе получать точное определение относительных координат взаимного расположения двух приемников, отслеживающих сигналы одних и тех же ИСЗ GPS. При использовании гражданского C/Aкода определяют координаты автомобиля с точностью от 2 до 5 метров.

28 марта 1994 года система GPS начала функционировать в штатной конфигурации-24 КА в 6 орбитальных плоскостях. Запуском 17 января 1997 г, который закончился аварией, должен был начаться этап замены ИСЗ серий 2 и 2А новыми аппаратами 2R. Компания LOCKHEED MARTIN изготавливает 21 аппарат этой серии, которые планируется запустить до 2001 г.

Габаритные размеры корпуса ИСЗ — 1.52 м 1.93 м 1.91 м, размах солнечных батарей 19.3 м, площадь 13.4 кв. м. Мощность бортовой системы электропитания к концу срока эксплуатации 1136 Вт. Масса аппарата при запуске 2032 кг, на рабочей орбите 1075 кг. Навигационную аппаратуру поставляет ITT AEROSPASE/COMMUNICATIONS.

Новые спутники имеют трехосную стабилизацию и позволят обеспечить определение времени с точностью до 0.1 сек, положение объекта с точностью до единиц метров и скорость — примерно до 0.1 м/сек. Срок службы увеличен до 10 лет по сравнению с 7 годами для ИСЗ типа 2А. Стоимость ИСЗ серии 2R составляет 40 млн долл.

Группировка из 24 ИСЗ ГЛОНАСС выведена на орбиту и позволяет определить координаты с погрешностью не более 50 м для гражданского кода. Создан наземный сегмент управления спутниками, разработанный в СССР и реализованный Россией. В настоящее время в России отсутствует серийный производитель абонентской аппаратуры ГЛОНАСС для гражданского пользования. Структура орбитальной группировки и наблюдаемость ИСЗ системы даны в приложении.

4. Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи.

Широкое развитие спутниковой связи на основе геостационарных спутников, вращающихся на экваториальных орбитах с периодом 24 часа, позволили использовать эти спутники как неподвижные опорные радионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижных объектов.

Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными спутниками связи представлена на Рис. 2. Примером таких систем могут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).

Спутники ГСС-1 и ГСС-2 не являются составной частью системы местоопределения, они выполняют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижного объекта.

При этом ГСС-1 обеспечивает ретрансляцию сигналов от наземной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС-2 только от подвижного объекта к наземной станции.

Координаты подвижного объекта вычисляются на наземной станции по сигналам, полученным от подвижного объекта с двух направлений (от ГСС-1 и ГСС-2). система четырех объектов, в которой координаты трех объектов ГСС-1, ГСС-2 и наземной станции известны, позволяет по методу триангуляции рассчитать координаты четвертого объекта, если измерить дальности от подвижного объекта до ГСС-1 и ГСС-2. Приближенно это можно представить следующим образом. Если измерены дальности от ГСС-1 и ГСС-2 до объекта L1 и L2, то подвижный объект находится на линии пересечения двух сфер, описанных радиусом L1 с центром на ГСС-1 и радиусом L2 с центром на ГСС-2. Пересечение же этой линии с поверхностью Земли даст точку местоположения подвижного объекта.

Значения L1 и L2 определяются вычитанием из известных расстояний от наземной станции до ГСС-1 и ГСС-2 дальностей от наземной станции до подвижного объекта через ГСС-1 и ГСС-2 соответственно. Эти дальности определяются на наземной станции по временной задержке между запросным сигналом от наземной станции и ответными сигналами от подвижного объекта, принимаемыми через ГСС-1 и ГСС-2.

Полученные на наземной станции координаты подвижного объекта могут быть переданы ему по каналу связи через ГСС-1.

Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземной станции устанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.

В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземной станции.

Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены или соединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным, спутниковым).