Спутниковые радионавигационные системы GPS и ГЛОНАСС
Основные принципы работы системы GPS
Рис. 1. Определение координат в спутниковой навигационной системе
Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится на окружности, которая
является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными точками на Рис.1). Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.
Основу спутниковой радионавигационной системы составляет сеть ИСЗ развёрнутых в около земной орбите и равномерно “покрывающих” всю земную поверхность (Рис.2). Орбиты ИСЗ рассчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.
В GPS- приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник”. Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так как для определения местоположения точки нужно знать три координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при данном методе радионавигации точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.
Рис.2. Сеть GPS-спутников
Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “всемирному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника Δt. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.
Если приемник установлен на движущемся объекте и, наряду с псевдодальностями, измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных расчётов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. В произвольный момент времени, в любой точке Земли видны от 5 до 12 спутников радионавигационной системы.
Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. они могут одновременно принимать сигналы от 5 до 12 ИСЗ. Приём сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
В состав системы GPS входят:
· созвездие ИСЗ (космический сегмент);
· сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
· собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).
Космический сегмент состоит из 28 спутников (24 основных и 4 резервных), которые обращаются на 6 орбитах, по 4 основных на каждой. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит составляют около 26 тыс. км, а период обращения составляет приблизительно половину звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 источников стандартной частоты (два цезиевых и два рубидиевых — в целях резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (по-научному, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.
Основные принципы работы системы ГЛОНАСС
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1(1.6 ГГц) и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения с вероятностью 99,7%:
- горизонтальных координат с точностью 50-70 м;
- вертикальных координат с точностью 70 м;
- составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;
- точного времени с точностью 0,7 мкс.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот навигационного космического аппарата (НКА) ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАСС-М в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.
В состав системы ГЛОНАСС входят:
· созвездие ИСЗ (космический сегмент);
· сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
· собственно GPS/ГЛОНАСС-приемники (аппаратура потребителей).
Полная орбитальная группировка (ОГ) в СРНС ГЛОНАСС содержит 24 штатных КА на круговых орбитах с наклонением i=64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь КА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120° . Номинальный период обращения КА равен Т=11 ч 15 мин 44 с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли.
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России (Рис.3).
Теперь зная основные элементы системы спутниковой навигации и их задачи, вкратце рассмотрим порядок работы всей системы в целом.
На спутниках космического сегмента системы установлены высокоточные атомные часы, суточная нестабильность которых (точность хода) составляет 1*10 -13 с. Часы всех спутников синхронизированы друг с другом и с аналогичными эталонными часами, входящими в наземный сегмент.
Каждый штатный спутник из орбитальной группировки системы ГЛОНАСС постоянно излучает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот
1250 МГц (L2). Передача навигационного сигнала в двух диапазонах частот позволяет, повысить надежность передачи информации, за счет исключения ионосферных погрешностей навигационных координат. Навигационные сигналы стандартной точности (СТ) передаются в диапазоне L1, а навигационные сигналы высокой точности (ВТ) – в диапазонах L1 и L2. Навигационные сигналы стандартной точности позволяют определять горизонтальные и вертикальные координаты, точное время, составляющие вектора скорости объекта. Такие функции доступны для всех потребителей глобальной навигационной спутниковой системы, имеющие приемники ГЛОНАСС.
Приемник, улавливающий сигнал от спутников с применением общеизвестных радиотехнических методов, измеряет расстояние до спутников в зоне видимости, а также скорость их перемещения. При осуществлении измерений приемник обрабатывает получаемые навигационные сигналы, получая вместе с ним метки времени и цифровую информацию. Цифровая информация является основой для осуществления приемником вычислений координат объекта и параметров его движения. С помощью цифровой информации можно решать различные навигационные задачи.
Цифровая информация характеризует временное и пространственное расположение спутника относительное единой шкалы времени и декартовых координат, а также описывает пространственное положение остальных спутников системы в виде кеплеровских элементов орбит и др.
В системе ГЛОНАСС используется дифференциальная модель движения. Это означает, что для определения координат спутника на заданный момент времени требуется решить систему дифференциальных уравнений. Для решения этой системы нужны, так называемые, начальные значения — это такое чисто математическое понятие. В случае ГЛОНАСС эти приближения передаются со спутника в составе навигационной информации, поэтому приёмнику они доступны. Задача решения дифференциальных уравнений состоит в численном интегрировании, которое, по сути своей, является трудоёмкой задачей.
Координаты потребителя в системе определяются посредством их расчета по псевдодальностям до спутников. Псевдодальности Di рассчитываются по временным задержкам Ti сигнала между спутником и потребителем, и известной скорости распространения радиоволн равной скорости света С = 300 000 км в секунду (1)
где Ti измеряются в результате сопоставления принятых данных от спутника и генерируемых в приемнике копий этих кодов с учетом заранее известного, по цифровой информации, положения спутников в момент излучения сигналов. Кроме этого могут использоваться также соответствующие измерения разностей фаз несущих частот.
Трех спутников вполне достаточно для определения пространственных координат, а четвертый спутник обеспечивает определение высоты объекта.
Найденные в ходе вычислений прямоугольные геоцентрические координаты X,Y,Z преобразуются в координаты, обычно используемые потребителем при выполнении своих специфических задач. Такими координатами чаще всего бывают геодезические координаты B-широта, L-долгота и H-высота над уровнем эллипсоида (моря).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Несмотря на схожесть систем координат ПЗ-90 (OXYZ) и WGS-84 (AUVW), они различаются в некоторых важных параметрах. Принято сводить эти различия к некоторому повороту системы относительно оси Z или Y и смещению начала координат (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Системы координат ПЗ-90 и WGS-84
Смещение координат точки на земной поверхности в двух указанных системах координат оценивается по результатам измерений как не превышающее 15 м (в среднем 5 м). В 2008 году в системе ГЛОНАСС была введена модернизированная версия системы координат: ПЗ-90.02 (Распоряжение Правительства РФ от 20.06.07 №797/Р). При модернизации общеземной системы координат ПЗ-90 были максимально использованы данные об установлении общеземных систем координат, полученные отечественными и международными научными организациями из многолетних наблюдений искусственных спутников Земли и космических объектов. На основании этих данных в модернизированной системе координат ПЗ-90.02 изменены долготная ориентировка и линейный масштаб. Они приближены к значениям, принятым в системе координат Международной земной сети (ITRF).
Отдельно чуть подробнее хотелось бы рассмотреть основные принципы построения аппаратуры потребителей.
Навигационная аппаратура потребителей СРНС предназначена для определения пространственных координат и составляющих вектора скорости потребителя, текущего времени и других навигационных параметров в результате приема и обработки радиосигналов, излучаемых навигационными спутниками.
Современная НАП является аналого-цифровой системой, сочетающей аналоговую и цифровую обработку сигналов. Обобщенная схема НАП приведена на рис. 1.3 и включает антенну, радиочастотный блок (РЧБ), синтезатор частот (СЧ) аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой вычислитель (ЦВ).
Рис. 1.3 Обобщенная схема аппаратуры потребителя
Антенна выполняет функцию преобразования электромагнитных волн в электрический сигнал и может состоять из одного или нескольких антенных элементов с необходимыми блоками электронного управления.
Радиочастотный блок (радиоприемник) предназначен для усиления принятых сигналов, частотной селекции (фильтрации) полезных сигналов из смеси с шумами и помехами, понижение несущей частоты принятых сигналов до заданного значения, которое принято называть промежуточной частотой. Синтезатор частот формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы РЧБ, шкалу времени АП и тактовые сигналы, синхронизирующие работу АЦП и ЦВ.
Аналого-цифровой преобразователь трансформирует аналоговый сигнал, поступающий с выхода РЧБ, в цифровой сигнал, предназначенный для последующей обработки в цифровом вычислителе.
Цифровой вычислитель решает задачу извлечения навигационной и другой информации из принятых и преобразованных в цифровую форму радиосигналов.
Загрузка...