Спутниковые системы местоопределения

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/A- кода 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 0.000001 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).

5. Глобальная навигационная спутниковая система

ГЛОНАСС-М.

Назначение:

Обеспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных

и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.

С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации

Международная организация гражданской авиации и Международная морская

организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в

качестве международных.

Характеристики:

|Зона обслуживания |Глобально по поверхности Земли в |

| |воздушном и околоземном космическом |

| |пространстве |

|Возможность использования |В любой момент, независимо от |

| |времени суток, года и метеоусловий |

|Точность навигационных определений | |

|(вероятность 0,95): | |

|в стандартном режиме: | |

|- по плановым координатам |( 20 м |

|- по высоте |( 30 м |

|- по скорости |5 м/с |

|- по времени привязки к Госэталону |0,7 мкс |

|в дифференциальном режиме |от 0,1 м до 5 м |

|Доступность |99,64% |

|Количество КА в орбитальной |24 (по 8 КА в трех плоскостях) |

|группировке | |

|Орбита |круговая |

|- высота |19140 км |

|- наклонение |64,8( |

|Частотный диапазон |( 1,6 ГГц |

|- частота L1 |( 1,2 ГГц |

|Гарантированный срок |7 лет |

|функционирования КА | |

|Средства выведения: | |

|- одиночный запуск с к. Плесецк |РН "Союз-2" и РБ "Фрегат" |

|- групповой запуск (3 КА) с к. |РН "Протон" и РБ "Бриз-М" |

|Байконур | |

6. Система Глобального Позиционирования (GPS)

Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения

местонахождения подвижных объектов.

Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до

20 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного

либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с

очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения

объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили,

самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения

объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS

используется также для составления географических карт и в задачах

геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи,

вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24

спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое

устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару,

что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью

показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты.

Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные

измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства

синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.

5.1 GPS в деталях

Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения и

скорости различных подвижных объектов, а также определения времени, важными

ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации, всепогодность и

скрытность.

Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух частотах:

1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаются только

сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию (P —

Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационных

помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы

как с кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A. Сигналы обоих кодов

представляют собой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью

которой осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. Военный код

P(Y) имеет продолжительность 267 суток, а код С/А — 1 мс. Прием сигналов с

кодом P(Y) дает возможность работы в режиме высокой точности измерений

(PPS), а сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет

вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении сигналов

через ионосферу из-за нелинейности (увеличении пути) распространения в ней

радиоволн.

Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности

вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Кроме

того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики в

режиме стандартной точности измерений (SPS). За счет преднамеренного

ухудшения точности путем ввода ошибок при формировании навигационных

параметров (режим избирательного доступа — SA) погрешность измерений в

режиме SPS может быть доведена до 300 м и более.

Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярно передают специальные

сообщения, которые содержат дополнительные сведения: о состоянии спутников

и их параметрах — системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно

описывающих орбиты спутников), прогнозе ионосферной задержки, показателях

работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит

осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и L2. Для передачи

полного сообщения обо всех спутниках требуется 12,5 минуты.

7. Сравнение GPS и ГЛОНАСС

Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо

видно из таблицы А). Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных

областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах,

а GPS — на средних.

Таблица A. Основные характеристики навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

|Характеристки |ГЛОНАСС |GPS |

|Количество спутников |24 |24 |

|(проектное) | | |

|Количество орбитальных |3 |6 |

|плоскостей | | |

|Количество спутников в |8 |4 |

|каждой плоскости | | |

|Тип орбиты |Круговая |Круговая |

| |(S=0+-0,01) | |

|Высота орбиты |19100 км |20200 км |

|Наклонение орбиты, град |64,8+-0,3 |55 (63) |

|Период обращения |11 ч 15,7 мин. |11 ч 56,9 мин. |

|Способ разделения |Частотный |Кодовый |

|сигналов | | |

|Навигационные частоты, |1602,56 — 1615,5 |1575,42 |

|МГц: |1246,44 — 1256,5 |1227,6 |

|L1 | | |

|L2 | | |

|Период повторения ПСП |1 мс |1 мс (С/А-код) |

| | |7 дней (Р-код) |

|Тактовая частота ПСП, МГц|0,511 |1,023 (С/А-код) |

| | |10,23 (Р,Y-код) |

|Скорость передачи |50 |50 |

|цифровой информации, | | |

|бит/с | | |

|Длительность суперкадра, |2,5 |12,5 |

|мин | | |

|Число кадров в суперкадре|5 |25 |

|Число строк в кадре |15 |5 |

|Погрешность* определения |не указана |18 (P,Y-код) |

|координат в режиме | |28 (P,Y-код) |

|ограниченного доступа: | | |

|горизонтальных, м | | |

|вертикальных, м | | |

|Погрешности* определения |15 (СТ-код) | Модернизация КНС осуществляется поэтапно с учетом реальных

возможностей промышленности и бюджетного финансирования;

> Государство гарантирует международному сообществу поддержание КНС с

требуемыми характеристиками на период до 2010 г.;

> Разработка и эксплуатация системы учитывает возможность сотрудничества

с другими странами в части координации использования КНС, внедрения

передовых технологий, элементной базы;

> Навигационный сигнал КНС ГЛОНАСС сертифицирован на соответствие

международным стандартам;

> Точностные характеристики КНС (СКО) в пределах 1 - 10 м обеспечиваются

с применением дифференциального режима измерений, свыше 10 м в режиме

прямой навигации;

> Выполнение требований по целостности и оперативному оповещению

потребителей о состоянии системы осуществляется с помощью оперативного

канала мониторинга целостности системы;

Долговременная программа развития КНС реализовывается по следующим

укрупненным этапам.

Этап 1 (до 2003 г.). Поддержание КНС ГЛОНАСС на минимально допустимом

уровне запусками КА «Глонасс», модернизация контура информационного обмена

наземного комплекса управления, расширенное оснащение потребителей

аппаратурой, работающей по сигналам двух систем: ГЛОНАСС и GPS. Разработка

и создание КА "Глонасс-М" .

Этап 2 (до 2005 г.). Развертывание на базе КА "Глонасс-М" рабочей

орбитальной группировки до 18 КА, переход в новый частотный диапазон

навигационного сигнала. Отработка технологии эфемеридно-временного

обеспечения с использованием межспутниковых измерений. Расширение

номенклатуры и количества потребителей, работающих по сигналам КНС ГЛОНАСС

и GPS. Разработка и создание маломассогабаритного КА "Глонасс-К".

Этап 3 (до 2010 г.). Развертывание штатной орбитальной группировки на

базе маломассогабаритного КА "Глонасс-К". Расширение использования

межспутниковой радиолинии для решения задач автономного эфемеридно-

временного обеспечения, оперативного управления и контроля КА, обеспечения

целостности. Создание наземной сети станций мониторинга КНС ГЛОНАСС и

функциональных дополнений. Оснащение парка потребителей НАП, работающей по

сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo.

Сравнительные характеристики навигационных КА

|Наименование КА |"Глонасс|"Глонасс-М" |"Глонасс-К"|

| |" | | |

|1. Решаемые задачи: | | | |

|• излучение навигационного сигнала|+ |+ |+ |

|• межспутниковые измерения |- |+ |+ |

|2. Количество выводимых КА | | | |

|одновременно: | | | |

|• РН «Протон», РБ ДМ/Бриз-М |3 КА |3 КА |6 КА |

| |(ДМ) |(Бриз-М) |(Бриз-М) |

|• РН "Союз-2" (мод.1А), РБ |- |1КА |2КА |

|"Фрегат" | | | |

|3. Гарантированный САС, лет |3 |7 |10 и более |

|4. Погрешность навигационных |50/70 |15/25 |15/25 |

|определений (план/высота), 3( | | | |

|5. Срок начала летных испытаний |1982 |2001 |2004 |

В соответствии с Соглашением от 26 июня 1996 г. между Правительством РФ и

ИКАО о предоставлении системы ГЛОНАСС для использования международному

авиационному сообществу, ИКАО в 2000 г. завершает разработку стандартов и

рекомендуемой практики, стандартизирующих использование системы ГЛОНАСС в

составе глобальной навигационной спутниковой системы GNSS и до 2002 г.

планирует скорректировать их в части использования системы ГЛОНАСС-М. Этим

же Соглашением гарантируется поддержание характеристик системы ГЛОНАСС в

течение не менее 15 лет.

Во исполнение Распоряжения Президента РФ от 18.02.99 г. (упомянуто выше)

Правительство РФ выступило с Заявлением о предоставлении КНС ГЛОНАСС в

качестве основы для создания и развития международных глобальных

спутниковых систем.

НПО ПМ совместно с кооперацией основных изготовителей принимает участие в

разработке международной навигационной системы GNSS-2. Проработаны вопросы

по возможности размещения на КА "Глонасс-М" дополнительной полезной

нагрузки (бортовая навигационная аппаратура европейской разработки),

создания наземного комплекса мониторинга, определен облик перспективного

навигационного аппарата. КА "Глонасс-К", разработанный НПО ПМ с учетом

последних достижений науки и техники, предложен Европейскому сообществу в

качестве космической платформы для международной навигационной системы GNSS-

2.

12. ГЛОССАРИЙ

GPS (Global Positioning Systems) — глобальная система позиционирования.

ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система.

SPS (Standard Positioning Service) — стандартная точность измерений.

PPS (Precise Positioning Service) — прецизионное определение

местоположения.

NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging) — навигационная система

определения времени и дальности.

C/A (Coarse Acquisition) — грубый захват.

S/A (Selective Availability) — избирательный доступ.

СРНС – спутниковая радионавигационная система

ЕС КВО – Единая глобальная система координатно-временного обеспечения

КА – космический аппарат

НКА – навигационный КА

ЭО –эфемеридное обеспечение

UTC – координированное всемирное время

ЛИТЕРАТУРА

1. ГЛОНАСС, Интерфейсный контрольный документ. КНИЦ, 1995.

2. GPS Interface Control Document (ICD-GPS-200), 1991.

3. Rossbach U. et al. Transformation Parameters Beetween PZ-90 and WGS-84,

1996.

4. Misra P. et al. SGS85-WGS84 Transformation, Manuscripta Geodaetica,

Vol.19, 1994.

5. Бутенко В.В., "Возможности использования ПКА “Эталон” для решения

фундаментальных и прикладных задач геодезии, геофизики и геодинамики",

Геодезия и картография, № 12, 1993.

6. Журнал «Новости навигации» , номер 2(4) 1999.

7. Богданов В.А., Сорочинский В.А., Якшевич Е.В. "Спутниковые системы

морской навигации." – М.: Транспорт, 1987.

8. Баранов Ю.К. "Определение места судна с помощью навигационных

спутников." - М.: Транспорт, 1984.

9. Оружие России. Том VI: Ракетно-космическая техника. - М.:Военный Парад,

1997.-589 стр. с илл.

10. Н.М. Волков, Н.Е. Иванов, В.А. Салищев, В.В. Тюбалин. Глобальная

навигационная спутниковая система "ГЛОНАСС"//Успехи современной

радиоэлектроники. 1997. №1.

11. А. Владимиров. В полете - тройка "Ураганов"//Новости космонавтики.

1999. №2,3.

12. http://www.geokosmos.ru

13. http://www.satellite.srd.mtuci.ru

14. http://www.mcc.rsa.ru

15. http://www.terraspace.ru/activity/geodez/library

16. http://www.rssi.ru/SFCSIC/SFCSIC_main.html

17. http://www.online.ru/news

18. http://www.ustu.ru/cnit/rcnit/inf_techn/slovar/item0145.htm

19. http://www.comizdat.com.ua/nets/y1999/no2/a51.htm

20. http://kunegin.narod.ru/ref1/glonass/6.htm

-----------------------

Рис.1 Схема построения системы радиоместоопределения

Рис.2 Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными

спутниками связи

Рис. 4 Отечественный спутник ГЛОНАСС - М

[pic]

Рис. 5 Горизонтальная и вертикальная ошибки до и после

отмены S/A

Рис 6. Портативный приёмник GPS фирмы "Magellan"

Рис. 7 Персональные системы позиционирования на основе магнитных карт.

Страницы: 1, 2