Доповідь на тему "глобальні навігаційні супутникові системи"

Глобальна навігаційна супутникова система (ГЛОНАСС, англ. GLONASS) - російська супутникова система навігації, призначена для визначення місця розташування, швидкості руху, а також точного часу необмеженого числа користувачів наземного, морського, повітряного і космічного базування.

Поштовхом до початку практичних робіт в області супутникової радіонавігації послужив успішний запуск в СРСР першого штучного супутника Землі в жовтні 1957 року. В кінці 1960-х років в Радянському Союзі була створена низькоорбітальна супутникова радіонавігаційна система "Цикада".

Успішна експлуатація низькоорбітальних супутникових навігаційних систем морськими споживачами привернула широку увагу до супутникової навігації. Виникла необхідність створення універсальної навігаційної системи, що задовольняє вимогам переважної складу потенційних споживачів.

У 1976 році вийшла постанова уряду СРСР про її розробці.

На основі проведених багатосторонніх досліджень вітчизняними фахівцями була обрана штатна орбітальне угруповання з 24 супутників, що знаходяться на середньовисотних околокругових орбітах з номінальними значеннями висоти - 19100 кілометрів.

Льотні випробування високоорбітальних вітчизняної навігаційної системи, що отримала назву ГЛОНАСС, були розпочаті 12 жовтня 1982 року зі запуском першого космічного апарату серії "Глонасс" ( "Космос-1413"). 24 вересня 1993 року система була офіційно прийнята в експлуатацію в інтересах міністерства оборони РФ з орбітальної угрупованням обмеженого складу з 12 супутників. У грудні 1995 року орбітальне угруповання була розгорнута до штатного складу (24 супутника), який необхідний для повного охоплення території всієї земної кулі.

Скорочення фінансування космічної галузі в 1990-х роках призвело до деградації орбітального угрупування ГЛОНАСС. До 2002 року вона налічувала лише сім космічних апаратів, що не могло забезпечити територію Росії навігаційними сигналами системи ГЛОНАСС хоча б з помірною доступністю. Точнісні характеристики поступалися більш ніж на порядок американській системі навігації GPS.

З метою збереження і розвитку системи президентом і урядом РФ було затверджено ряд директивних документів, основним з яких була федеральна цільова програма "Глобальна навігаційна система" на період 2002-2012 роки.

В результаті її реалізації орбітальне угруповання була повністю відновлена. З 2012 року система розвивається в рамках нової федеральної цільової програми "Підтримка, розвиток і використання системи ГЛОНАСС на 2012-2020 роки" для забезпечення ефективності вирішення завдань координатно-часового та навігаційного забезпечення в інтересах оборони, безпеки і розвитку соціально-економічної сфери країни в найближчій і віддаленій перспективі.

Система ГЛОНАСС складається з підсистеми космічних апаратів, підсистеми контролю та управління і навігаційної апаратури споживачів.

Основою системи ГЛОНАСС є 24 супутника, які рухаються в трьох орбітальних площинах по вісім апаратів в кожній площині, нахилених до екватора під кутом 64,8 °, з висотою орбіт 19100 кілометрів і періодом обігу 11 годині 15 хвилин 44 секунди. Обрана структура орбітального угрупування забезпечує рух всіх космічних апаратів за єдиною трасі на поверхні Землі з її повторюваністю через вісім діб. Такі характеристики забезпечують високу стійкість орбітального угрупування системи ГЛОНАСС, що практично дозволяє обходитися без корекції орбіт космічних апаратів протягом всього терміну їх активного існування.

Станом на 10 жовтня 2017 року складі орбітального угрупування ГЛОНАСС знаходилося 25 космічних апаратів, з них 23 використовувалися за цільовим призначенням.

Космічні супутники для ГЛОНАСС були (нині - АТ "Інформаційні супутникові системи" імені академіка М.Ф. Решетньова ") в місті Красноярськ-26 (Железногорськ).

В експлуатації знаходилися космічні апарати "Глонасс", з терміном активного гарантійного існування три роки. В даний час основу орбітального угрупування складають супутники модифікованої серії "Глонасс-М", перший з яких був запущений в грудні 2003 року. Від супутників першого покоління вони відрізняються гарантійним терміном активного існування (сім років) і використанням імпортних комплектуючих. Планується заміна "Глонасс-М" космічними апаратами нового покоління "Глонасс-К" з терміном активного існування до 10 років. Перший космічний апарат цього типу був виведений на орбіту в 2011 році, другий - 2014 році.

В даний час в АТ "ІСС" також ведеться створення удосконалених навігаційних супутників - "Глонасс-К" другого етапу.

Підсистема контролю та управління (ПКУ) складається з Центру управління системою ГЛОНАСС і мережі станцій вимірювання, управління і контролю, розміщеної по всій території Росії. До завдань ПКУ входить контроль правильності функціонування космічних апаратів, безперервне уточнення параметрів орбіт і видача на супутники тимчасових програм, команд управління і навігаційної інформації.

Навігаційна апаратура споживачів складається з навігаційних приймачів і пристроїв обробки, призначених для прийому навігаційних сигналів супутників ГЛОНАСС і обчислення власних координат, швидкості і часу. Навігаційною апаратурою споживачів системи ГЛОНАСС виконуються беззапитним вимірювання до чотирьох супутників ГЛОНАСС, а також прийом і обробка навігаційних повідомлень. У навігаційному повідомленні описується стан супутника в просторі і часі. В результаті обробки отриманих вимірів і прийнятих навігаційних повідомлень визначаються три координати споживача, три складові вектора швидкості його руху, а також здійснюється "прив'язка" шкали часу споживача до шкалою Госеталона координованого всесвітнього часу UTC (SU).

Система ГЛОНАСС дозволяє забезпечити безперервну глобальну навігацію всіх типів споживачів з різним рівнем вимог до якості навігаційного забезпечення шляхом використання сигналів стандартної (L1) і високої точності (L2) з ймовірністю 0,95 при 18 супутниках і 0,997 при 24 супутниках в угрупованні. Вона віднесена до космічної техніки подвійного призначення.

В даний час розвитком проекту ГЛОНАСС займається Державна корпорація "Роскосмос" і міністерства і відомства Росії: Міноборони, МВС, Ростехнагляд, Мінтранс, Росреестр, Мінпромторг, Росстандарт, Росавіація, Росморречфлот, Федеральне агентство наукових організацій (Фано).

Влітку 2017 року керівник Федерального агентства з технічного регулювання і метрології (Росстандарт) Олексій Абрамов, що російські вчені працюють над збільшенням точності навігаторів ГЛОНАСС до декількох сантиметрів. За його словами, поки досягнутий метровий діапазон (при сприятливих умовах можна визначати місце знаходження того чи іншого об'єкта з точністю до 3-5 метрів).

У вересні 2017 року віце-прем'єр Дмитро Рогозін, що російська система ГЛОНАСС в два рази поступається американській GPS. Президент РФ Володимир Путін на засіданні комісії військово-промислового комплексу поставив завдання зрівняти ефективність GPS і ГЛОНАСС і до 2020 року вийти на конкурентні показники. За словами Рогозіна, це вдасться зробити, завдяки запуску нових апаратів.

Відповідно до указу президента РФ доступ до цивільних навігаційним сигналам системи ГЛОНАСС надається як російським, так і іноземним споживачам на безоплатній основі та без обмежень.

З 1996 року за пропозицією уряду РФ ГЛОНАСС поряд з американською GPS використовується Міжнародною морською організацією та Міжнародною організацією цивільної авіації.

Сучасні засоби супутникової навігації вже зараз широко використовуються в різних галузях соціально-економічної сфери і дозволяють виконувати навігацію наземних, повітряних, морських, річкових і космічних засобів, управління транспортними потоками на всіх видах транспорту, контроль перевезень цінних і небезпечних вантажів, контроль рибальства в територіальних водах , пошуково-рятувальні операції, моніторинг навколишнього середовища; геодезичну зйомку та визначення місця розташування географічних об'єктів з сантиметровою точністю при прокладці нафто- і газопроводів, ліній електропередач, в будівництві; синхронізацію в системах зв'язку, телекомунікацій та електроенергетиці; вирішення фундаментальних геофізичних задач; персональну навігацію індивідуальних споживачів.

Супутникова навігація вже застосовується і в сільському господарстві, де використовується для автоматичної обробки земельних угідь комбайнами, і в гірничодобувній промисловості. Коло застосування технологій супутникової навігації постійно розширюється.

Матеріал підготовлений на основі інформації РІА Новини і відкритих джерел

Пояснити, що таке ГНСС.

Розповісти про розвиток засобів навігації: «від компаса до супутникових навігаційних систем (СНС)».

Пояснити загальні принципи роботи супутникової навігації (СН).

Описати діючі СНС-GPS   і GLONASS, Їх складових (космічний і наземний сегменти) і областей застосування.

Розповісти, які СНС готуються до запуску або знаходяться в стадії розробки (GALLILEO, COMPASS).

Пояснити збої СНС:

• Під час сонячних спалахів.

  Під час геомагнітних збурень.

Розповісти про фактори, що впливають на погіршення точності позиціонування.

ГНСС.

Супутникова навігація: поняття, система, дія.

Глобальна Навігаційна Супутникова Система (ГЛОНАСС) - радянська і російська, Розроблена на замовлення. Одна з двох функціонуючих на сьогодні систем глобальної супутникової навігації. Основою системи повинні бути 24 супутники, що рухаються над поверхнею   в трьох орбітальних площинах з нахилом орбітальних площин 64,8 ° і висотою 19 100 км. Принцип вимірювання аналогічний американській системі навігації. В даний час розвитком проекту ГЛОНАСС займається   (Роскосмос) і ВАТ «Російський»

З скільки існує людство, стільки й вирішується питання про те, як визначити своє місце розташування на суші і на морі, в лісі або в місті. На сьогоднішній день відпала необхідність орієнтуватися, як стародавні мандрівники і мореплавці за зірками або компасу. Епоха відкриття радіохвиль істотно спростило завдання навігації і відкрило нові перспективи перед людством у багатьох сферах життя і діяльності, а з відкриттям можливості підкорення космічного простору відбувся величезний прорив в області визначення координат місця розташування об'єкта на Землі. Штучні супутники Землі стали опорними станціями для радіонавігації і на сьогоднішній день системи супутникової навігації стали доступні не тільки військовим або морякам, а й простим людям, приватним особам і компаніям, для яких навігація необхідна.

Поняття: Супутникова система навігації

- комплексна електронно-технічна система, що складається із сукупності наземного і космічного устаткування, призначена для визначення місця розташування (географічних координат і висоти), а також параметрів руху (швидкості і напрямку руху і т. д.) для наземних, водних і повітряних об'єктів.

система:

Основні елементи супутникової системи навігації:
орбітальне угруповання , Що складається з декількох (від 2 до 30) супутників, випромінюючих спеціальні радіосигнали; Наземна система управління і контролю, що включає блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для коригування інформації про орбітах;
Приймальне клієнтське обладнання ( «Супутникових навігаторів»), що використовується для визначення координат;
опціонально :   інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок, що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.

Дія: Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відомо з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається альманахом, яким повинен мати у своєму розпорядженні будь-якої супутниковий приймач до початку вимірювань. Зазвичай приймач зберігає альманах в пам'яті з часу останнього виключення і якщо він не застарів - миттєво використовує його. Кожен супутник передає в своєму сигналі весь альманах.

Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі альманаху, можна обчислити положення об'єкта в просторі. Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначеності швидкості поширення радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу поширення радіосигналу, кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу, в складі свого сигналу використовуючи точно синхронізовані з системним часом атомний годинник.

При роботі супутникового приймача його годинник синхронізуються з системним часом і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, що містяться в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цією інформацією, навігаційний приймач обчислює координати антени. Для отримання інформації про швидкість більшість навігаційних приймачів використовують ефект Доплера. Додатково накопичуючи і обробляючи ці дані за певний проміжок часу, стає можливим обчислити такі параметри руху, як швидкість (поточну, максимальну, середню), пройдений шлях і т. Д. У реальності робота системи відбувається значно складніше.
Нижче перераховані деякі проблеми, що вимагають спеціальних технічних прийомів щодо їх вирішення: Відсутність атомного годинника в більшості навігаційних приймачів. Цей недолік зазвичай усувається вимогою отримання інформації не менше ніж з трьох (2-мірна навігація при відомій висоті) або чотирьох (3-мірна навігація) супутників; (При наявності сигналу хоча б з одного супутника можна визначити поточний час з хорошою точністю). Неоднорідність гравітаційного поля Землі, що впливає на орбіти супутників; Неоднорідність атмосфери, через яку швидкість і напрямок поширення радіохвиль може змінюватися в певних межах; Відображення сигналів від наземних об'єктів, що особливо помітно в місті; Неможливість розмістити на супутниках передавачі великої потужності, через що прийом їх сигналів можливий тільки в прямої видимості на відкритому повітрі.

Історія і перспективи розвитку.

Історія розвитку супутникових навігаційних систем налічує вже понад 40 років. Початком розвитку вітчизняної супутникової радіонавігаційної системи (СРНС), як найчастіше вважають, запуск 4 жовтня 1957 року у Радянському Союзі першого в історії людства Штучного Супутника Землі (ШСЗ). Вперше висловлювання про необхідність створення такої системи, що задовольняє потреби багатьох відомств, прозвучали на науково технічній раді в 1946 р в виступах фахівців Ленінградського Науково-дослідний радіотехнічний інститут. В середині 70-х в СРСР була створена супутникова навігаційна система "Цикада", а в 60х в США - система «Транзит», яка в подальшому зазнала безліч змін і технологічних удосконалень. Ці системи розроблялися на замовлення Міністерства Оборони країн і були спеціалізовані для оперативної глобальної навігації наземних рухомих об'єктів, але лише в грудні 1976 року була прийнята Постанова ЦК КПРС і Ради Міністрів СРСР «Про розгортання Єдиної космічної навігаційної системи». У наявних тоді систем супутникової навігації, споживачів не влаштовували точність результатів і час, необхідний для визначення координат - потрібне створення систем наступного покоління. В результаті в Радянському союзі на початку 80-х років минулого століття і була винайдена Система супутникової навігації. Народились системи супутникової навігації отримали назву GPS - в США, і ГЛОНАСС - в СРСР. В результаті перший американський супутник був запущений в лютому 1978 року, а перший радянський пізніше - 12 жовтень 1982 го. 24 вересня 1993 року ГЛОНАСС була офіційно прийнята в експлуатацію. У 1995 році її супутникова угруповання склала 24 апарати. Згодом, через недостатнє фінансування, число працюючих супутників скоротилося. У серпні 2001 року була прийнята федеральна цільова програма «Глобальна навігаційна система», згідно з якою повне покриття території Росії планувалося вже? на початку 2008 року, а глобальних масштабів система досягла б до початку 2010 року. Для вирішення даного завдання планувалося протягом 2007, 2008 і 2009 років провести шість запусків ракетоносіїв, і вивести на орбіту 18 супутників - таким чином, до кінця 2009 року угруповання знову повинна налічувати 24 апарату. При цьому точність визначення місця розташування користувачів системи досягне 1-5 м, як у GPS. За даними ЦНДІ машинобудування, станом на сьогодні у складі орбітального угрупування системи ГЛОНАСС налічується 19 космічних апаратів. 14 з них використовуються за цільовим призначенням, 3 - на етапі введення в систему (вони були запущені 25.09.2008), 1 - тимчасово виведений на техобслуговування, 1 - на етапі виведення з системи. За прогнозами, до кінця 2008 року з системи будуть виведені ще три старих апарату.

Довготривалу програму розвитку космічної навігаційної системи реалізовується за такими укрупненими етапами:

Етап 1   (До 2003 року). Підтримка КНС ГЛОНАСС на мінімально д опустімом рівні запусками КА «Глонасс» (рис.), модернізація контуру інформаційного обміну наземного комплексу управління, розширене оснащення споживачів апаратурою, що працює за сигналами двох систем: ГЛОНАСС і GPS. Розробка і створення КА «Глонасс-М».

Е тап 2   (До 2005 р.) Розгортання робочої орбітального угрупування до 18 одиниць на базі КА "Глонасс-М» (рис.) Масою 1415 кг. і терміном активного існування 7 років, що значно більше, ніж у супутників попередньої серії. Перехід в новий частотний діапазон навігаційного сигналу. Відпрацювання технології ефемеридних-часового забезпечення з використанням межспутнікових вимірювань. Розширення номенклатури та кількості споживачів, які працюють за сигналами КНС ГЛОНАСС і GPS. Розробка і створення маломассогабарітного КА «Глонасс-К».

етап 3   (До 2010р.). Розгортання штатної орбітального угрупування на базі маломассогабарітного, більш досконалого, негерметичного супутники «Глонасс-К» (рис. Немає тому що тільки розробляється) зі значно більшим терміном активного існування до 10 років, меншою масою, близько 700 кг, що в два рази менше, ніж у «Глонасс-М». Розширення використання межспутниковой радіолінії для вирішення завдань автономного ефемеридних-часового забезпечення, оперативного управління і контролю КА, забезпечення цілісності. Створення наземної мережі станцій моніторингу КНС ГЛОНАСС і функціональних доповнень. Оснащення парку споживачів НАП, працюючої за сигналами ГЛОНАСС, GPS, Galileo.
Навігаційні супутники цієї серії будуть виводитися на орбіту або поодинокими запусками ракетою-носієм «Союз-2» з розгінним блоком «Фрегат», або по шість апаратів в одному пакеті - ракетою-носієм «Протон» з розгінним блоком «Бриз-М». Крім того, їх виведення на орбіту можливо за допомогою індійського носія GSLV. Так, в 2004 р в Москві було підписано угоду з Індією про запуск двох навігаційних супутників в 2006-2008 рр. Апарати «Глонасс-К» створюються на базі більш прогресивної негерметичной платформи, що, за словами фахівців, висуває підвищені вимоги до апаратури і елементної бази, яка має працювати в умовах відкритого космосу. Можливо, якісь з використовуваних елементів будуть зарубіжними, але, оскільки навігаційна система російська, вона повинна в основному працювати на наших елементах, на наших приладах. На сьогоднішній день розробляється технологічна можливість установки навігаційного модуля ГЛОНАСС в мобільні телефони. Телефони, які мають GPS-навігатори, вже існують і широко використовуються у всьому світі, в тому числі і в Росії. На ринку навігаційної апаратури вже існує цілий ряд приймачів GPS / ГЛОНАСС - навігації, вони виробляються спеціально для Росії і мають саме різне призначення.

Експерти вважають, що головні завдання в нинішній період відновлення і розвитку ГЛОНАСС це:

Підвищити надійність і збільшити терміни сталого функціонування космічних апаратів «Глонасс» до 20 років;

Розвивати орбітальне угруповання до 6 площин з 48 супутниками з метою забезпечення високоточного позиціонування в умовах закритої місцевості (така програма вже прийнята США);

Забезпечити радіоелектронну безпеку і незалежність системи;

Розглянути питання про доцільність виключення з системи «пасажирів» систему порятунку «Коспас», датчики визначення місця розташування ядерних вибухів, системи межспутниковой зв'язку, які тільки займають місце корисного навантаження.

А головне - залучити до роботи справжніх фахівців, які здатні доповісти всю правду про ГЛОНАСС. ГЛОНАСС є пріоритетною з усіх космічних програм, тому що без неї через кілька років Росія залишиться беззахисною. Без ГЛОНАСС асиметрична відповідь на американську ПРО і інші потенційні загрози в принципі неможливий. Тому президент так наполегливо вимагає в максимально короткі терміни відродити ГЛОНАСС.

Принцип роботи.
Супутники системи ГЛОНАСС безперервно випромінюють навігаційні сигнали двох типів: навігаційний сигнал стандартної точності (СТ) в діапазоні L1 (1,6 ГГц) і навігаційний сигнал високої точності (ВТ) в діапазонах L1 і L2 (1,2 ГГц). Інформація, яку надає навігаційним сигналом СТ, доступна всім споживачам на постійній і глобальній основі і забезпечує, при використанні приймачів ГЛОНАСС, можливість визначення:
* Горизонтальних координат з точністю 50-70 м (ймовірність 99,7%);
* Вертикальних координат з точністю 70 м (ймовірність 99,7%);
* Складових вектора швидкості з точністю 15 см / с (ймовірність 99,7%)
* Точного часу з точністю 0,7 мкс (вірогідність 99,7%).
Ці точності можна значно поліпшити, якщо використовувати диференційний метод навігації і / або додаткові спеціальні методи вимірювань.

Сигнал ВТ призначений, в основному, для споживачів Міністерства оборони Росії, і його несанкціоноване використання не рекомендується. Питання про надання сигналу ВТ цивільним споживачам знаходиться в стадії розгляду.

Для визначення просторових координат і точного часу потрібно прийняти і обробити навігаційні сигнали щонайменше від 4-х супутників ГЛОНАСС. При прийомі навігаційних радіосигналів ГЛОНАСС приймач, використовуючи відомі радіотехнічні методи, вимірює дальності до видимих ​​супутників і вимірює швидкості їх руху.
  Одночасно з проведенням вимірів в приймачі виконується автоматична обробка містяться в кожному навігаційному радіосигналі міток часу і цифрової інформації. Цифрова інформація описує положення даного супутника в просторі і часі (ефемериди) щодо єдиної для системи шкали часу і в геоцентричної пов'язаної декартовій системі координат. Крім того, цифрова інформація описує положення інших супутників системи (альманах) у вигляді кеплерівських елементів їх орбіт і містить деякі інші параметри. Результати вимірювань і прийнята цифрова інформація є вихідними даними для вирішення навігаційного завдання по визначенню координат і параметрів руху. Навігаційна завдання вирішується автоматично в обчислювальному пристрої приймача, при цьому використовується відомий метод найменших квадратів. В результаті рішення визначаються три координати місця розташування споживача, швидкість його руху і здійснюється прив'язка шкали часу споживача до високоточної шкалою Універсального координованого часу (UTC).

ГЛОНАСС сьогодні.

У числі діючих космічних апаратів (КА) в даний час знаходиться одинадцять супутників «ГЛОНАСС-М», (один запущений в 2003 році, два - в 2005, три - в 2006), що мають гарантійний термін активного існування 7 років. Ці супутники випромінюють, на відміну від апаратів попереднього покоління, вже по два сигнали для цивільних споживачів, що дозволяє істотно підвищити точність визначення місця знаходження.
  Відповідно до доручення Президента Російської Федерації мінімальна угруповання з 18 супутників повинна бути розгорнута в 2007 році. Повна угруповання в складі 24-х супутників відповідно до федеральної цільової програми «Глобальна навігаційна система» має бути розгорнута в 2010 році.
Супутники «ГЛОНАСС-М» в складі орбітального угрупування будуть знаходитися, як мінімум, до 2015 року. Льотні випробування негерметичних супутників нового покоління "ГЛОНАСС-К» з поліпшеними характеристиками (збільшеним до 10 років гарантійним терміном і третьої частотою L-діапазону для цивільних споживачів) повинні початися в 2009 році. Цей супутник буде вдвічі легший за свого попередника (приблизно 700 кг проти 1415 кг у «Глонасс-М»)
Надалі, після розгортання орбітального угрупування з 24-х КА, для її підтримки потрібно робити по одному груповому пуску в рік двох КА «ГЛОНАСС-К» на носії «Союз», що істотно знизить експлуатаційні витрати.
29 листопада 2006 року міністр оборони Сергій Іванов в ході візиту в РІРВ оголосив про те, що система ГЛОНАСС найближчим часом буде доступна і для цивільного використання.

18 травня 2007 року Президент РФ Володимир Путін підписав указ, згідно з яким доступ до російської навігаційної системи ГЛОНАСС буде надаватися безкоштовно і без обмежень як російським, так і іноземним споживачам.
Супутники ГЛОНАСС будуть запускати з космодрому Плесецьк.
МОСКВА, 9 квітня - РІА Новини. Запуск навігаційних супутників ГЛОНАСС в майбутньому буде здійснюватися не з Байконура, а з космодрому Плесецьк на ракетах-носіях Союз-2, повідомив заступник командувача Космічними військами РФ Олександр Квасніков. «Планується поступове переведення запусків космічних апаратів російської глобальної навігаційної системи ГЛОНАСС з Байконура на космодром Плесецьк. Ці старти планується здійснювати на модернізованих ракетах-носіях Союз-2 », - сказав Квасніков в понеділок, виступаючи з доповіддю на міжнародному форумі з супутникової навігації.
За його словами, переклад запусків з Байконура на Плесецьк забезпечить незалежність Росії за висновками на орбіту власних космічних апаратів.
Як зазначив заступник командувача Космічними військами, сфера застосування супутникових навігаторів ГЛОНАСС в військах простягається від забезпечення окремого військовослужбовця інформацією про його координатах до забезпечення цілих військових підрозділів навігаційною інформацією.
«З введенням в дію супутників системи ГЛОНАСС на борт ракети-носія встановлюється компактний блок, що забезпечує високоточні безперервні траєкторні вимірювання в ході польоту ракети. Раніше застосовувався спосіб, що вимагає залучення великої кількості людей і засобів, заснований на забезпеченні контролю польоту ракети наземними пунктами траєкторних вимірювань », - сказав Квасніков.
За його словами, в даний час в Космічних військах РФ йдуть випробування наземної і переносної апаратури навігаційної системи ГЛОНАСС.
«Її застосування дозволить використовувати приймачі ГЛОНАСС в будь-яких погодних умовах, забезпечуючи високоточну прив'язку по координатах і часу, особливо на сильно пересіченій і гірській місцевості», - зазначив заступник командувача.

Порівняння ГЛОНАСС і GPS.

Розглянемо деякі особливості основних систем супутникової навігації (NAVSTAR і ГЛОНАСС): Обидві системи мають подвійне призначення - військове і цивільне, тому випромінюють два види сигналів: один зі зниженою точністю визначення координат (~ 100 м) для цивільного застосування та іншої високої точності (~ 10 -15 м і точніше) для військового застосування. Супутники NAVSTAR розташовуються в шести площинах на висоті приблизно 20 180 км. Супутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») знаходяться в трьох площинах на висоті приблизно 19 100 км. Hомінальное кількість супутників в обох системах - 24. Угруповання NAVSTAR повністю укомплектована в квітні 1994-го і з тих пір підтримується, угруповання ГЛОНАСС була повністю розгорнута в грудні 1995-го, але з тих пір значно деградувала. На даний момент йде її активне відновлення. Обидві системи використовують сигнали на основі т.зв. «Псевдошумових послідовностей», застосування яких надає їм високу перешкодозахищеність і надійність при невисокій потужності випромінювання передавачів. Відповідно до призначення, в кожній системі є дві базові частоти - L1 (стандартної точності) і L2 (високої точності). Для NAVSTAR L1 = 1575,42 МГц і L2 = 1227,6 МГц. У ГЛОHАСС використовується частотне розділення сигналів, т. Е. Кожен супутник працює на своїй частоті і, відповідно, L1 знаходиться в межах від 1602,56 до 1615,5 МГц і L2 від 1246,43 до 1256,53. Сигнал в L1 доступний всім користувачам, сигнал в L2 - тільки військовим (тобто, не може бути розшифрований без спеціального секретного ключа). Кожен супутник системи, крім основної інформації, передає також допоміжну, необхідну для безперервної роботи приймального обладнання. У цю категорію входить повний альманах всієї супутникового угруповання, що передається послідовно протягом декількох хвилин. Таким чином, старт приймального пристрою може бути досить швидким, якщо він містить актуальний альманах (близько 1-ї хвилини) - це називається «теплий старт», але може зайняти і до 15-ти хвилин, якщо приймач змушений отримувати повний альманах - т. н. «Холодний старт». Необхідність в «холодному старті» виникає зазвичай при першому включенні приймача, або якщо він довго не використовувався.диференціальне вимір
Окремі моделі супутникових приймачів дозволяють виробляти т. Н. «Диференціальне вимір» відстаней між двома точками з великою точністю (сантиметри). Для цього вимірюється положення навігатора в двох точках з невеликим проміжком часу. При цьому, хоча кожне таке вимір має точність близько 10-15 метрів без наземної системи коригування та 10-50 см з такою системою, вимірювання відстаней має похибка набагато меншу, так як фактори, що заважають вимірюванню (похибка орбіт супутників, неоднорідність атмосфери і т. д.) в цьому випадку взаємно віднімаються. Крім того, є кілька систем, які посилають уточнюючу інформацію ( «диференціальну поправку до координат»), що дозволяє підвищити точність вимірювання координат приймача до десяти сантиметрів. Диференціальна поправка заснована на геостаціонарних об'єктах (супутниках, наземних базових станціях), зазвичай є платною (розшифровка сигналу можлива тільки одним певним приймачем після оплати «підписки на послугу»). В даний час (2006-й рік) існує безкоштовна європейська система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), заснована на двох геостаціонарних супутниках, дає високу точність (до 30 см), але працює з перебоями і ненадійно. У Північній Америці її аналогом є система WAAS.

Недостакі GPS-системи.
Незважаючи на всі переваги, у GPS-систем є і недоліки. Наприклад, GPS- приймач може бути відключений в будь-який момент, скажімо, з міркувань безпеки США. Крім того, впровадження GPS- технології має на увазі наявність докладних електронних карт c масштабом до 100 м, які є у вільному продажу не в кожній країні. Не можна не згадати ту обставину, що при обчисленні координат супутникова система допускає похибки. Природа цих помилок різна. Основними джерелами помилок, що впливають на точність навігаційних обчислень в GPS-системи, зокрема, є:

Похибки, обумовлені режимом селективного доступу (Selective availability, S / A). Використовуючи даний режим, Міністерство Оборони США навмисно знижує точність визначення місцезнаходження для цивільних осіб. У режимі S / A формуються помилки штучного походження, що вносяться в сигнал на борту GPS-супутників з метою огрубіння навігаційних вимірювань. Такими помилками є невірні дані про орбіти супутника і спотворення показань його годин за рахунок внесення додаткового псевдослучайного сигналу. Величина середньоквадратичного відхилення через вплив цього фактора становить, приблизно, 30 м.

Похибки, пов'язані з поширенням радіохвиль в іоносфері. Затримки поширення сигналів при їх проходженні через верхні шари атмосфери призводять до помилок близько 20-30 м днем ​​і 3-6 м вночі. Незважаючи на те, що навігаційне повідомлення, передане з борта GPS- супутника, містить параметри моделі іоносфери, компенсація фактичної затримки, в кращому випадку, становить 50%.

Похибки, пов'язані з поширенням радіохвиль в тропосфері. Виникають при проходженні радіохвиль через нижні шари атмосфери. Значення похибок цього виду при використанні сигналів з З / А- кодом не перевищують 30 м.

Ефемеридна похибка. Помилки обумовлені розбіжністю між фактичним становищем GPS-супутника і його розрахунковим становищем, яке встановлюється за даними навігаційного сигналу, що передається з борту супутника. Значення похибки зазвичай не боее 3м.

Похибка догляду шкали часу супутника викликана розбіжністю шкал часу різних супутників. Усувається за допомогою наземних станцій спостереження або за рахунок компенсації догляду шкали часу в диференціальному режимі визначення місця розташування.

Похибка визначення відстані до супутника є статистичним показником. Він обчислюється для конкретного супутника і в указаний час. Помилка не коррелированность з іншими видами похибок. Її величина зазвичай не перевищує 10 м.

НЕДОЛІКИ СИСТЕМИ ГЛОНАСС:

Необхідність зсуву діапазону частот вправо, так як в даний час ГЛОНАСС заважає роботі як рухомого супутникового зв'язку, так і радіоастрономії

При зміні ефемерид супутників, похибки координат в звичайному режимі збільшуються на 25-30м, а в диференціальному режимі - перевищують 10 м;

При корекції набігла секунди виконуються розриви сигналу ГЛОНАСС. Це призводить до великих погрішностей визначення координат місця споживача, що неприпустимо для цивільної авіації;

Складність перерахунку даних систем ГЛОНАСС і GPS через відсутність офіційно опублікованої матриці переходу між використовуваними системами координат.

Європейським союзом розробляється система супутниковоїнавігації Galileo. Китай також розробляє власнунавігаційну систему   «Бейдоу», до кінця 2008 року вона буде покривати територію Китаю і більшості суміжних азіатських країн.

Galileo   - система супутниковоїнавігації, Що розробляється Європейським союзом. Єдина концепція була прийнята в 1999 році, а початковий план розвитку був схвалений в 2003 році і передбачав запуск системи в 2008-му.

Однак він був зірваний через розбіжності між урядами країн ЄС і небажання приватних компаній інвестувати в Galileo. Консорціум приватних компаній складався з EADS, Thales, Inmarsat, Alcatel-Lucent, Finmeccanica, AENA, Hispasat і німецької групи, що включає Deutsche Telekom і German Aerospace Centre.

У травні 2007 року консорціум вийшов з проекту, і керівництво Galileo взяла на себе Єврокомісія. Зараз з 30 запланованих супутників на орбіті знаходиться тільки один, другий планується вивести на орбіту 27 квітня 2008 року.

На даний момент ЄС витратив на реалізацію проекту близько 1 млрд євро

На відміну від американської GPS і російської ГЛОНАСС, система Галілео не контролюється ні державними, ні військовими установами. Розробку здійснює ЄКА. Загальні витрати на створення системи оцінюються в 3,8 млрд. Євро. Перший супутник системи Галілео був доставлений на космодром Байконур 30 листопада 2005 року. 28 грудня 2005 року в 8:19 за допомогою ракети-носія «Союз-ФГ» космічний апарат GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element) був виведений на розрахункову орбіту висотою понад 23000 км з нахилом 56 ° Маса апарату 700 кг, габаритні розміри: довжина - 1,2 м, діаметр - 1,1 м. Термін активного існування складає 12 років. «ЄКА» Європейське космічне агентство (European Space Agency) - міжнародна організація, створена в 1975 році з метою об'єднання зусиль з освоєння космосу на благо європейців Галілео.

1. Вплив іоносфери на характеристики трансіоносферних радіосигналів

Електромагнітні хвилі, що поширюються через іоносферу, відчувають найрізноманітніші обурення. Основною характеристикою іоносфери, що визначає зміна параметрів радіохвилі, є інтегральне (повне) електронне змістI (t ) Або його похідні (за часом і простором)I ´ t (t ),   I ' x (t )   і I ' y (t ) Уздовж шляху поширення.

Зміни ПЕС можна умовно розділити на регулярні та нерегулярні. Регулярні зміни (сезонні, добові), по крайней мере, для магнітоспокойной среднеширотной іоносфери, описуються моделями, що дають відносні точності прогнозу ПЕС до 50 - 80%. Нерегулярні зміни (варіації) пов'язані з іоносферними неоднородностями різної природи, спектр яких носить статечної характер.

В результаті проведених останнім часом досліджень стало ясно, що обурення іоносфери під час магнітних бур позначаються на деградації сигналів і збої системи GPS не тільки на екваторі і в полярній зоні, але навіть на середніх широтах. Однак питання про причини і конкретні механізми цього впливу залишається в значній мірі відкритим.

Основним завданням майбутніх досліджень є вивчення фізичних механізмів багатомасштабних варіацій повного електронного вмісту в іоносфері під час геомагнітних збурень навколоземного космічного простору, що супроводжуються деградацією сигналів і збоями супутникових радіотехнічних систем. Ці дослідження повинні носити комплексний характер з максимальним залученням ряду незалежних експериментальних засобів моніторингу іоносфери (цифрові іонозонди, радари некогерентного розсіяння, ЛЧМ-іонозонди і т.д.).

1. точність GPS

Кожен повний набір даних включає іоносферну модель, яка використовується в приймачі для апроксимації затримки фази сигналу при його проходженні через іоносферу при будь-якому розташуванні супутників і в будь-який момент часу. Методи вимірювання дальності до супутника За допомогою псевдовипадкового коду. Псевдодальностей - відстань між антеною приймача і супутником виміряний за допомогою псевдовипадкового коду. Як говорилося раніше, ці відстані необхідні для розрахунку координат. Процедура визначення псевдо, може бути описана наступним чином.
Уявімо, що годинник на супутнику і приймачі повністю синхронізовані один з одним. Коли код PRN передається від супутника, приймач відтворює точну копію того ж коду. Після деякий час, код переданий супутником буде прийнятий приймачем. Порівнюючи переданий код і його точну копію, приймач може обчислити час потрібне для того щоб код досяг приймача. Множення часу подорожі на швидкістю світла дає нам дальність між супутником і приймачем. Вимірювання відстані за кодом На жаль, припущення, що приймач і супутникові годинник повністю синхронізовані, не зовсім вірний. Цей метод обчислення дальності вимагав би дуже точної синхронізації годин супутника і приймача. На супутники GPS стоять дуже точні атомні годинники, дуже дорого забезпечити таким годинником приймач, так як їх ціна може досягати 20 000 $.
Проблему синхронізації годин вирішують, розглядаючи помилку годин приймача як додаткове невідоме в навігаційних рівняннях.
Відстані між супутником і приймачем - сума загальної кількості повних циклів плюс дробовий цикл між приймачем і супутник, помножений на довжину хвилі несучої. Дальність, визначена за допомогою фази несучої, має набагато більшу точність ніж дальність, отримана за допомогою коду.
  Є, однак, одна проблема. Несуча це синусоїдальна хвиля, що означає, що всі цикли виглядають однаково. Тому, приймач GPS не може відрізнити один цикл від іншого. Іншими словами, приймач, відразу при включенні, не може визначити загальну кількість повних циклів між супутником і приймачем. Він може визначити тільки дробову частину циклу (з точність не менше 2 мм), в той час як повне число циклів залишається невідомим, чи неоднозначним.

На щастя, приймач може відслідковувати зміну фази, будучи включеним. Це означає, що початкова невизначеність вирішується з плином часом. Визначення повного числа циклів несучої (довжин хвиль) між антеною та супутником називається дозволом неоднозначності - пошуком цілого значення числа довжин хвиль. Для вимірювань в режимі з постобробки, який використовується для визначення місця розташування з точністю на рівні сантиметри, це ціле значення визначається під час обробки на комп'ютері. Для вимірювань в реальному часі, які використовуються для визначення місця розташування з точністю на рівні сантиметри, це ціле значення визначається протягом процесу званого инициализацией.
Пропуск циклу сигнал - це стрибок в ціле число циклів в фазі несучої при вимірюванні дальності. Зникнення сигналу може бути викликано перешкодою між сигналом і супутником. Радіоперешкоди, іоносферне обурення, і висока динаміка приймача - все це також може бути причинного зникнення сигналу. Так само прослизання циклу може статися через збій приймача. Пропуск циклу може тривати протягом будь-якого часу.
Вам необхідно знати координати вашої базової станції якомога точніше, так як точність отримується в результаті диференціальної корекції безпосередньо залежить від точності координат базової станції. Існує два методи виконання диференціальної корекції, в реальному часі і в постобробці

Я вважаю, що розвиток СНР добре допомагає розвиватися і країні, якій належить сама СНС. Триває активне освоєння космічного простору поблизу нашої планети. Досягнення в галузі радіоелектроніки дійсно значно допомагають не тільки у військових, але і в цивільних цілях. Завдяки СН, припустимо, значно полегшили пошуки гірських туристів, СН- «помічник» водія на дорогах і не тільки. Але як би там не було, добре в цьому є і погана сторона ... відбувається постійне забруднення навколоземного простору вже використаними супутниками і їх уламками. Нам потрібно заповнювати наші потреби, не зашкодивши навколишньому середовищу, що у нас виходить рідко .... КООРДИНАЦІЙНИЙ НАУКОВО-ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЦЕНТР (2002). - офіційне технічний опис параметрів і сигналу ГЛОНАСС. Перевірено 14 грудня 2009.

РОСІЙСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ космічного ПРИЛАДОБУДУВАННЯ (2008). - офіційне технічний опис параметрів і сигналу ГЛОНАСС. Перевірено 14 грудня 2009.

На сьогоднішній день в світі існує кілька навігаційних систем, що використовують штучні супутники Землі. Але дійсно глобальний сервіс позиціонування практично в будь-якому місці нашої планети здійснюють лише дві: російська ГЛОНАСС і американська GPS.

Глобальна система позиціонування GPS

Американська система позиціонування GPS за своїми функціональними можливостями аналогічна російській системі ГЛОНАСС. Її основне призначення - високоточне визначення координат споживача, складових вектора швидкості і прив'язка до системної шкалою часу.

Аналогічно вітчизняної, система GPS розроблена для Міністерства оборони США і знаходиться під його керуванням. Як і система ГЛОНАСС, GPS складається з космічного сегмента, наземного командно-вимірювального комплексу і сегмента споживачів.

Супутникова навігаційна система Galileo

Протягом найближчих років Європейський Союз (EU) і Європейське космічне агентство (ESA) планують ввести в експлуатацію нову європейську глобальну супутникову навігаційну систему Galileo ( «Галілео»). Існування другої повністю робочої супутникової системи GNSS обіцяє значну вигоду для цивільних споживачів по всьому світу. Успішний запуск проекту Galileo дозволить збільшити більш ніж в два рази кількість робочих навігаційних супутників, доступних користувачам. Подібне збільшення кількості супутників принесе користь не тільки при роботі в автономному режимі, але і поліпшить якість визначення координат і здатність GPS-апаратури вирішувати неоднозначність по фазі несучої для відслідковується супутникового сигналу.

порівняльні характеристики

  Індійська Супутникова Регіональна Система Навігації

Уряд Індії схвалив 9 травня 2006, проект розгортання Індійської Супутникова Регіональна Система Навігації (IRNSS) з бюджетом 14.2 мільярда Рупій протягом наступних 6-7 років. Супутникове угрупування IRNSS буде складатися з семи супутників на геосинхронной орбітах. Всі сім супутників буде мати безперервну радіо видимість з Індійськими керуючими станціями.

Земний сегмент IRNSS матиме станцію моніторингу, станцію, резервування, станцію контролю та управління бортовими системами. Державна компанія ISRO є відповідальною за розгортання IRNSS, яка буде знаходитися цілком під контролем Індійського уряду. Навігаційні приймачі, які будуть приймати сигнали IRNSS, так само будуть розроблятися і випускатися індійськими компаніями.

Китайська Навігаційна Супутникова Система Compass

Китай, який є найбільш швидко розвивається країною в світі, також почав будівництво своєї власної супутникової системи навігації Compass.

Космічний сегмент супутникової системи навігації Compass буде сформований з 5 супутників на геостаціонарній орбіті (ГСО) і 30 супутників на середньої земній орбіті.

Два типу послуг будуть передбачені. Для загального користування буде передаватися сигнал, обробка якого дозволить домогтися точності визначення місцезнаходження в 10 м, швидкості в 0.2 м / с і визначення поточного часу з точністю 50 нс.

Обмежене коло користувачів отримає можливість вимірювань з більшою точністю.

Китай бажає співпрацювати з іншими країнами в розробці супутникової навігації, щоб забезпечити взаємодію Compass з іншими глобальними навігаційними системами.

Японська Quasi-Zenith навігаційна система (QZSS)

Спочатку Японська QZSS була задумана в 2002 р як комерційна система з набором послуг для рухомого зв'язку, мовлення та широкого використання для навігації в Японії та сусідніх районах Південно-Східної Азії. Перший запуск супутника для QZSS був запланований на 2008 р У березні 2006 Японський уряд оголосило, що перший супутник НЕ буде призначений для комерційного використання і буде запущений цілком на бюджетні кошти для відпрацювання прийнятих рішень в інтересах забезпечення вирішення навігаційних завдань. Тільки після вдалого завершення випробувань першого супутника розпочнеться другий етап і наступні супутники будуть в повній мірі забезпечувати запланований раніше обсяг послуг.

Олексій Михайлов, Начальник сектора ФДМ НІЦ «Охорона»

Останнім часом спостерігається посилене використання глобальних навігаційних систем для визначення координат як стаціонарних, так і рухомих об'єктів охорони.

Не залишилася осторонь від використання сучасних досягнень техніки і позавідомча охорона. У відділах охорони давно вже експлуатуються такі навігаційно-моніторингові системи, як «Алмаз» (ТОВ «Кодос-Б», м.Москва), «Арго-Страж» (ЗАТ «Навігаційні системи», г.Омск), «Аркан» ЗАТ «БалтАвтоПоіск», м.Санкт-Петербург, «Приплив GPS» ТОВ ( «Охоронне бюро Сократ», г.Иркутск).

В основі цих та багатьох інших навігаційних систем лежить GPS-приймач (навігаційна система «Аркан» може використовувати і традиційний радіопеленгаціонний метод визначення місця розташування об'єкта), тому співробітникам, які використовують у своїй роботі дані системи, необхідно в загальних рисах уявляти принципи роботи GPS і чітко знати , що можна вимагати від таких систем, і чого не варто від них очікувати.

Розуміння принципів роботи навігаційних систем і їх правильна експлуатація є запорукою успішної роботи.

За таємничої абревіатурою GPS ховається Global Positioning System - система глобального позиціонування. Спочатку проект створювався і використовувався військовими США як засіб для визначення координат в режимі реального часу в будь-якій точці земної кулі і мав назву Navstar (Navigation system with timing and ranging - навігаційна система визначення часу і дальності), тоді як абревіатура GPS з'явилася пізніше.

Принцип роботи GPS

В основу роботи будь-якої навігаційної системи покладено принцип тріангуляції, тобто визначення місця розташування об'єкта по дальності до трьох відомих точок в просторі.

Для простоти будемо вважати, що у нас є три нерухомих супутника, і ми з високою точністю знаємо їх координати, тоді, аналізуючи час поширення синхронно випромінюваного від них радіосигналу, ми визначимо свої координати в тривимірному просторі. Дальність до цілі, аналізуючи час приходу відбитого сигналу сигналу від об'єкта, в радіолокації визначали ще на початку ХХ століття, в супутникових навігаційних системах використовується той же принцип.

На жаль, на цьому схожість між традиційними і супутниковими системами визначення місцезнаходження об'єктів вичерпується. У реальному житті супутники рухаються з величезною швидкістю по своїх орбітах на висоті близько 20 тис. Км. Тому на Землі ми не знаємо час синхронного випромінювання із супутників і їх координати.

Для вирішення цих суперечностей розробники вирішили встановити на борту супутників атомний годинник. Вони виключно точні і дорогі. Вони коштують близько 100000 доларів, і кожен супутник має їх 4 штуки, щоб можна було гарантувати надійність роботи. Таким чином, була вирішена проблема синхронізації (питання одночасного випромінювання радіосигналу) зі супутників.

Питання визначення місця розташування супутника на орбіті вирішується шляхом передачі з наземних станцій спостереження даних про їх орбітах в центр управління, де обчислюються уточнені елементи траєкторій. Зазначені параметри вносяться в альманах і передаються на супутники, а ті, в свою чергу, відсилають цю інформацію всім працюючим приймачів. Для контролю орбіт і координат супутників існують чотири наземних станції стеження,

системи зв'язку і центр управління, підконтрольні міністерству оборони США. Беручи до уваги те, що політ на висоті 20 тис.км відбувається в безповітряному просторі, він з високою точністю описується математичними залежностями. З урахуванням всього вище сказаного була вирішена проблема визначення місця розташування супутника на орбіті.

Залишилося вирішити питання визначення точного часу в наземному приймачі GPS-Сигнал. Справа в тому, що наш годинник в приймачі GPS-сигналу мають величезну похибка вимірювання часу в порівнянні зі швидкістю поширення радіосигналу в просторі.

Для вирішення цієї проблеми використовується сигнал від четвертого супутника. Розглянемо рис. 1.

Якщо відома відстань А до одного супутника, то координати приймача визначити не можна (він може знаходитися в будь-якій точці сфери радіусом А, описаної навколо супутника). Нехай відома віддаленість У приймача від другого супутника. У цьому випадку визначення координат також не представляється можливим - об'єкт знаходиться десь на колі (вона показана синім кольором на рис. 1), яка є перетином двох сфер. Відстань С до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох точок (позначені двома жирними синіми крапками на рис.1). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат - справа в тому, що з двох можливих точок розташування приймача лише одна знаходиться на поверхні Землі (або в безпосередній близькості від неї), а друга, помилкова, виявляється або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної навігації досить знати відстані від приймача до трьох супутників, проте треба зробити корекцію часу в приймальнику GPS, тому, отримавши сигнал від чотирьох (або більше) супутників (дані окружності на малюнку не показані, щоб не захаращувати малюнок), приймач шукає точку перетину відповідних сфер. Якщо такої точки немає, процесор приймача починає методом послідовних наближень коригувати свій годинник до тих пір, поки не доб'ється перетину всіх сфер в одній точці.

Найбільш важливе:

1. Для визначення координат об'єкту GPS повинен «бачити» не менше чотирьох супутників.

2. Чим більше супутників «побачив» приймач, тим він точніше визначає свої координати.

Точність визначення координат в GPS-системи

Незаперечною перевагою GPS є висока точність визначення координат незалежно від розташування об'єкта моніторингу на місцевості. Справа в тому, що для забезпечення глобального дії на орбіті постійно знаходяться 24 супутника, що знаходяться на орбітах з різними відміною і теоретично забезпечують їх видимість в будь-якій точці земної кулі. Для вирішення цього завдання досить, щоб на орбіті знаходилося 18 супутників, проте було вирішено використовувати 24 - для підвищення точності визначення координат самих супутників.

Точність визначення координат в GPS-системи залежить від багатьох параметрів, що залежать як від фізичних параметрів (зокрема від співвідношення сигнал / шум в приймаємо сигналі див. Далі), так і від позиції господаря системи (США). В системі GPS існує режим селективного доступу (SA - selective availability) - похибки, штучно вноситься в супутникові сигнали для неточної роботи цивільних GPS-приймачів, що США проводили під час операції «Буря в пустелі» в Іраку. На рис. 2 наведено графік визначення помилки в режимі селективної похибки і без неї.

Точність визначення координат залежить також:

1. Від стану атмосфери та іоносфери, оскільки швидкість поширення електромагнітного поля постійна тільки в вакуумі, а будь-яке середовище поширення вносить зміну в швидкість поширення радіосигналу;
2. Від «многолучевого» поширення радіосигналу;
3. Від взаємного розташування супутників на небозводі, так званий «GDOP» (геометричний фактор зниження точності);
4. Від математичної обробки на борту супутника і багато чого іншого.

З урахуванням усього вищесказаного GPS-приймач може повністю перестати визначати своє місце розташування близько поруч стоять висотних будівель (так звані міські колодязі), в густому ялиновому лісі, і звичайно, всередині капітального будови або металевого гаража або ангара.

Деякі приватні охоронні фірми заявляють про можливість охорони життя і здоров'я громадян від нападу з допомогою GPS-приймача + стільникового телефону, однак цим користувачам треба пам'ятати, що визначити місце розташування людини за допомогою GPS всередині будівлі, в під'їзді, в транспорті (тобто там , де найчастіше і відбуваються напади) неможливо.

Реальна точність визначення координат в системі GPS в умовах Росії становить 10-25 м. Природно, ця точність не є максимально досяжною для системи GPS, з використанням диференціальних методів визначення точність може доходити до 10 см і менше, але ми повинні говорити про тих системах, які реально використовуються у відділах охорони.

Найбільш важливе:

1. Навігаційні системи GPS характеризуються високою точністю визначення координат (близько 10-25 м) незалежно від відстані об'єкта охорона від ПЦО і часу руху об'єкта.
2. Точність координати може бути зменшена власником системи (США) аж до повної неможливості визначення координат.
3. GPS-приймач може повністю перестати визначати своє місце розташування близько поруч стоять висотних будівель (так звані міські колодязі), в густому ялиновому лісі, і звичайно всередині капітального будови, металевого гаража або ангара.

Перешкодозахищеність GPS-системи

Перешкодозахищеність GPS-системи, з точки зору використання їх в охоронних системах. Справа в тому, що потужність передавача супутника обмежена потужністю в 50 Ватт для діапазону випромінювання L1 і 8 Ватт для діапазону L2, а висота підвісу супутника складає близько 20 тис. Км.

Тому неважко зрозуміти, наскільки мізерна щільність потоку електромагнітного випромінювання приходить на антену GPS. Простий геометричний розрахунок показує, що при ширині діаграми антени передавача в 2є і висоті супутника над поверхнею Землі в 20000 км

потік електромагнітного випромінювання доводиться на коло з діаметром в 700 км. Дане положення трохи рятує гігагерцовий діапазон випромінювання (з ростом робочої частоти рівень шуму в середовищі падає), зате при цьому накладається обмеження по огибания електромагнітної хвилею перешкоди. Поширення електромагнітної хвилі в цьому діапазоні відбувається практично прямолінійно.

Наступний момент, який часто не береться до уваги: ​​GPS-приймач визначає свої координати в місці його знаходження, а інформацію про координати треба передати на ПЦО. Як правило, для цього використовують мережі стільникового зв'язку або УКХ-радіоканал з усіма звідси витікаючими наслідками.

Мережі стільникового зв'язку легко придушуються, користувач повністю залежить від якості послуг, що надаються стільникового компанією, яка за великим рахунком не несе відповідальності за швидкість доставки повідомлення, надійність зв'язку та довгостроковість своїх зобов'язань перед клієнтом. Однак велика зона покриття, мінімальна вартість обладнання (але не ціна регулярної передачі координат об'єкту), є привабливою рисою такого рішення.

Радіоканал УКХ-діапазону є більш надійним каналом зв'язку в порівнянні з стільниковими мережами, не вимагає посередника з передачі координат між об'єктом охорони і ПЦО, але характеризується набагато меншою зоною покриття і необхідністю мати власний частотний ресурс, що не завжди просто здійснити. В даному випадку відсутня необхідність оплачувати трафік обміну між об'єктом охорони і ПЦО.

Найбільш важливе:

Користувач досить чітко повинен представляти всі підводні камені, пов'язані з використанням GPS-моніторингових систем, і грамотно складати договори на послуги, що надаються клієнту, які повинні враховувати форс-мажорні обставини.

GPS або «Глонасс»

Якщо GPS - це глобальна позиційна система виробництва США, то ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система) виробництва СРСР - Росії. У благословенні часи СРСР мав повноцінної супутниковою системою навігації, ідентичною за характеристиками системі позиціонування США, яка використовувалася в основному у військових цілях.

Потім, за роки перебудови, більшість супутників системи ГЛОНАСС «потрапляло» або вийшло з ладу і в гірші роки замість 24 супутників на орбіті знаходилося тільки 7 супутників. На 2006 рік на орбіті перебувають 16 супутників, з яких працюють або працюватимуть найближчим часом (оскільки деякі з супутників знаходяться на етапі повного вироблення свого ресурсу) тільки 9 штук.

На початку розвитку в Росії супутникової навігації для цивільного застосування на ринку були представлені навігаційні приймачі, що дозволяють приймати сигнали як GPS, так і ГЛОНАСС, що, безсумнівно, правильно, оскільки вдвічі зростає кількість супутників потенційно доступних для прийому. Це, в свою чергу, дозволяє збільшити ймовірність визначення місцеположення і точність координат.

Однак у зв'язку з фактичною загибеллю системи ГЛОНАСС в кінці 90-х років в даний час на вільному ринку Росії присутні тільки приймачі системи GPS. Але не все так погано, як здається.

Президент Росії Володимир Путін визначив як пріоритетну національну програму відродження навігаційної системи ГЛОНАСС, і в 2007 році планується мати на орбіті 18 працюючих супутників, а до 2010 року - 24 супутника, що дозволить виключити залежність в такому важливому питанні, як глобальне визначення координат ( в першу чергу для цивільного і відомчого застосування *), від волі США.

(* У читача може скластися враження, що в даний час російські військові не можуть визначати свої координати. Це не зовсім так, військова навігація завжди використовує дублюючі системи, наприклад системи навігації, засновані на використанні радіомаяків, механічних гіроскопів, кільцевих лазерних гіроскопів, систем, реєструють зміна магнітного поля Землі, чи інших принципів, невідомих авторові. Однак всі ці системи характеризуються високою ціною, набагато нижчою точністю визначення координати (мабуть, за ис лючением систем на основі кільцевих лазерних гіроскопів) і тенденцією до залежності точності визначення координат від часу руху об'єкта (ефект накопичення помилки).

Виходячи з усього сказаного, рівень навігації цими засобами обмежується рівнем літального апарату (літак, вертоліт), а використання супутникової навігаційної системи дозволяє відстежувати місце розташування при відносно невеликих матеріальних витратах величезної кількості об'єктів, аж до положення окремого солдата на більш бою, що і реалізується в США (створення так званих «комп'ютерних» дивізій, в США вже створені дві такі дивізії).

Найбільш важливе:

1. В даний час домінують на вітчизняному ринку приймачі системи GPS.
2. Розробнику навігаційних систем, як і користувачеві, необхідно замислюватися про спільне використання в найближчому майбутньому систем GPS і ГЛОНАСС.
3. У міру створення повноцінної орбітальної угруповання необхідно перейти на систему ГЛОНАСС (правда, це реально буде можливо здійснити при вартості приймача системи ГЛОНАСС рівній або меншій системи GPS, при приблизно рівних технічних характеристиках приймачів обох систем).

На створення реально конкурентно-спроможної вітчизняної глобальної навігаційної системи не шкода витратити і гроші стабілізаційного фонду Росії, хоча це вже не тема цієї статті.

висновки:

1. Система глобальної навігації є одним з останніх досягнень сучасної інженерної думки і повинна активно використовуватися в практиці роботи ОВО.
2. Система глобальної навігації не є панацеєю від усіх бід.
3. Економічно невиправдане, технічно необґрунтоване застосування без урахування особливостей роботи навігаційної системи може привести до повної дискредитації даного напрямку в очах споживача.

Стаття підготовлена ​​спільно з редакцією журналу «Охорона»

Е. Поваляев, С. Хуторний

Системи супутникової навігації ГЛОНАСС і GPS.

Пропонуємо Вашій увазі статтю, присвячену супутниковим радіонавігаційним системам Глонасс (глобальна навігаційна супутникова система) і GPS (Global Positioning System). У статті розглянуті питання побудови і функціонування систем, структура і функції апаратури споживача (приймачів), алгоритми вирішення навігаційного завдання і перспективи розвитку систем.

З давніх часів мандрівники задавалися питанням: як визначити своє місце розташування на Землі? Стародавні мореплавці орієнтувалися по зірках, що вказує напрямок руху: знаючи середню швидкість і час у дорозі, можна було зорієнтуватися в просторі і визначити відстань до кінцевого пункту призначення. Однак погодні умови не завжди були на руку дослідникам, тому збитися з курсу не становило особливих труднощів. З появою компаса завдання істотно спростилася. Мандрівник вже в меншій мірі залежав від погоди.

Ера радіо відкрила нові можливості перед людиною. З появою радіолокаційних станцій, коли стало можливим вимірювати параметри руху і відносне розташування об'єкта по відбитому від його поверхні променю радіолокатора, постало питання про можливість вимірювання параметрів руху об'єкта по випромінюється сигналу. У 1957 році в СРСР група вчених під керівництвом В.А. Котельникова експериментально підтвердила можливість визначення параметрів руху штучного супутника Землі (ШСЗ) за результатами вимірювань допплерівського зсуву частоти сигналу, випромінюваного цим супутником. Але, що найголовніше, була встановлена ​​можливість розв'язання оберненої задачі - знаходження координат приймача за вимірюваним доплеровскому зрушення сигналу, випромінюваного з ШСЗ, якщо параметри руху і координати цього супутника відомі. При русі по орбіті супутник випромінює сигнал певної частоти, номінал якої відомий на приймальній стороні (споживач). Положення ШСЗ в кожен момент часу відомо, точніше, його можна обчислити на підставі інформації, закладеної в сигналі супутника. Користувач, вимірюючи частоту прийшов до нього сигналу, порівнює еeс еталонної і таким чином обчислює доплеровській зрушення частоти, обумовлений рухом супутника. Вимірювання проводяться безперервно, що дозволяє скласти свого роду функцію зміни частоти Доплера. У определeнний момент часу частота стає рівною нулю, а потім змінює знак. У момент рівності нулю частоти Доплера споживач знаходиться на лінії, яка є нормаллю до вектору руху супутника. Використовуючи залежність крутизни кривої доплеровской частоти від відстані між споживачем і ШСЗ і вимірявши момент часу, коли частота Доплера дорівнює нулю, можна обчислити координати споживача.

Таким чином, штучний супутник Землі стає радіонавігаційної опорної станцією, координати якої змінюються в часі внаслідок руху супутника по орбіті, але заздалегідь можуть бути обчислені для будь-якого моменту часу завдяки ефемеридної інформації, закладеної в навігаційному сигналі супутника.

У 1958√1959 рр. в Ленінградській військово-повітряної інженерної академії (ЛВВІА) ім. А.Ф. Можайського, Інституті теоретичної астрономії АН СРСР, Інституті електромеханіки АН СРСР, двох морських НДІ і Горьківському НІРФІ проводилися дослідження по темі "Супутник", що стали згодом основою для побудови першої вітчизняної низькоорбітального навігаційної супутникової системи "Цикада". І в 1963 році почалися роботи з побудови цієї системи. У 1967 році на орбіту був виведений перший вітчизняний навігаційний супутник "Космос-192". Характерною рисою радіонавігаційних супутникових систем першого покоління є застосування низькоорбітальних ШСЗ та використання для вимірювання навігаційних параметрів об'єкта сигналу одного, видимого в даний момент супутника. Надалі супутники системи "Цикада" були обладнані приймальні апаратурою виявлення терплять лиха об'єктів.

Паралельно з цим, після успішного запуску СРСР першого штучного супутника землі, в США в Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса проводяться роботи, пов'язані з можливістю вимірювання параметрів сигналу, випромінюваного супутником. За вимірами обчислюються параметри руху супутника щодо наземного пункту спостереження. Рішення оберненої задачі - справа часу.

На основі цих досліджень в 1964 році в США створюється доплеровская супутникова радіонавігаційна система першого покоління "Transit". Основне її призначення - навігаційне забезпечення пуску з підводних човнів балістичних ракет Поларіс. Батьком системи вважається директор Лабораторії прикладної фізики Р. Кершнер. Для комерційного використання система стає доступною в 1967 р Так само, як і в системі "Цикада", в системі "Transit" координати джерела обчислюються по доплеровскому зрушенню частоти сигналу одного з 7 видимих ​​супутників. ШСЗ систем мають кругові полярні орбіти з висотою над поверхнею Землі ~ 1100 км, період обертання супутників "Transit" дорівнює 107 хвилинам. Точність обчислення координат джерела в системах першого покоління значною мірою залежить від похибки визначення швидкості джерела. Так, якщо швидкість об'єкта визначена з похибкою 0,5 м, то це в свою чергу призведе до помилки визначення координат ~ 500 м. Для нерухомого об'єкту ця величина зменшується до 50 м.

Крім того, в цих системах неможливий безперервний режим роботи. З огляду на те, що системи нізкоорбітни, час, протягом якого супутник знаходиться в полі видимості споживача, не перевищує однієї години. Крім того, час між проходженням різних супутників зони видимості споживача залежить від географічної широти, на якій він знаходиться, і може скласти величину від 35 до 90 хвилин. Зменшення цього інтервалу шляхом нарощування числа супутників неможливо, тому що всі супутники випромінюють сигнали на одній і тій же частоті.

Отже, супутникові навігаційні системи другого покоління мають ряд суттєвих недоліків. В першу чергу - недостатня точність визначення координат динамічних об'єктів. До недоліку можна віднести також відсутність безперервності в вимірах.

Однією з основних проблем, що виникають при створенні супутникових систем, що забезпечують навігаційні визначення по декількох супутниках, є взаємна синхронізація сигналів (шкал часу) супутників з необ-ходимо точністю. Неузгодженість опорних генераторів супутників на 10 нс призводить до помилки у визначенні координат споживача 10√15 м. Другою проблемою, з якою зіткнулися розробники при створенні високоорбітальних супутникових навігаційних систем, стало високоточне визначення і прогнозування параметрів орбіт ШСЗ. Апаратура приймача, вимірюючи затримки сигналів від різних супутників, обчислює координати споживача.

Для цих цілей в 1967 році ВМС США була розроблена програма, по якій був здійснений запуск супутника TIMATION-I, а в 1969 році - супутника TIMATION-II. На борту цих супутників використовувалися кварцові генератори. У той же час, ВПС США паралельно вели свою програму по використанні широкосмугових сигналів, модульованих псевдошумовим кодом (PRN). Кореляційні властивості такого коду дозволяють використовувати одну частоту сигналу для всіх супутників, з кодовим поділом сигналів від різних супутників. Пізніше, в 1973 році дві програми були об'єднані в одну загальну під назвою "Navstar-GPS". До 1996 року розгортання системи було завершено. В даний момент доступно 28 активних супутників.

В СРСР льотні випробування високоорбітальних супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС почалися в 1982 році запуском супутника "Космос-1413". Основним розробником і творцем по системі в цілому і по космічному сегменту є НВО прикладної механіки (м Красноярськ), а по навігаційним космічним апаратам - ПО "Політ" (м.Київ). Головним розробником радіотехнічних комплексів є РНІІКП; відповідальним за створення тимчасового комплексу, системи синхронізації і навігаційної апаратури споживачів визначено Російський інститут радіонавігації і часу.

Мережева радіонавігаційна супутникова система (СРНСС) Глонасс

Система ГЛОНАСС призначена для глобальної оперативної навігації приземних рухомих об'єктів. СРНСС розроблена на замовлення Міністерства Оборони. За своєю структурою Глонасс так само, як і GPS, вважається системою подвійної дії, тобто може використовуватися як у військових, так і в цивільних цілях.

Система в цілому включає в себе три функціональні частини (у фаховій літературі ці частини називаються сегментами) (рис. 1).

Малюнок 1.Сегменти високоорбітальних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS

космічний сегмент, в який входить орбітальне угруповання штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);

сегмент управління, наземний комплекс управління (НКУ) орбітальної угрупованням космічних апаратів;

апаратура користувачів системи.

З цих трьох частин остання, апаратура користувачів, найчисленніша. Система ГЛОНАСС є беззапитним, тому кількість споживачів системи не має значення. Крім основної функції - навігаційних визначень, - система дозволяє виробляти високоточну взаємну синхронізацію стандартів частоти і часу на віддалених наземних об'єктах і взаємну геодезичну прив'язку. Крім того, з її допомогою можна проводити визначення орієнтації об'єкта на основі вимірів, вироблених від чотирьох приймачів сигналів навігаційних супутників.

В системі Глонасс як радіонавігаційної опорної станції використовуються навігаційні космічні апарати (НКА), що обертаються по круговій геостаціонарній орбіті на висоті ~ 19100 км (рис. 2). Період обертання супутника навколо Землі дорівнює, в середньому, 11 годин 45 хвилин. Час експлуатації супутника ≈ 5 років, за цей час параметри його орбіти не повинні відрізнятися від номінальних значень більше ніж на 5%. Сам супутник являє собою герметичний контейнер діаметром 1,35 м і довжиною 7,84 м, всередині якого розміщується різного роду апаратура. Харчування всіх систем проводиться від сонячних батарей. Загальна маса супутника - 1415 кг. До складу бортової апаратури входять: бортовий навігаційний передавач, хронізатора (годинник), бортовий керуючий комплекс, система орієнтації і стабілізації і так далі.

Малюнок 2.Косміческій сегмент систем ГЛОНАСС і GPS

Малюнок 3.Сегмент наземного комплексу управління системи Глонасс

Малюнок 4.Сегмент наземного комплексу управління системи GPS

Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС виконує наступні функції:

ефемеридних і частотно-часове забезпечення;

моніторинг радіонавігаційного поля;

радиотелеметрический моніторинг НКА;

командне і програмне радіоуправління НКА.

Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовуються цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю порядку 10-13. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт з відносною нестабільністю 10-14. Крім того, до складу ПКУ входять засоби корекції шкал часу супутників відносно встановленої шкали з похибка 3√5 нс.

Наземний сегмент забезпечує ефемеридних забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на заздалегідь визначений проміжок часу. Параметри і їх прогноз закладаються в навігаційне повідомлення, передане супутником поряд з передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-часові поправки бортовий шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання і прогноз параметрів руху НКА виробляються в балістичних центрі системи за результатами траєкторних вимірювань дальності до супутника і його радіальної швидкості.

Мережева радіонавігаційна супутникова система GPS

Американська система GPS за своїми функціональними можливостями аналогічна вітчизняній системі ГЛОНАСС. Її основне призначення - високоточне визначення координат споживача, складових вектора швидкості, і прив'язка до системної шкалою часу. Аналогічно вітчизняної, система GPS розроблена для Міністерства Оборони США і знаходиться під його керуванням. Згідно интерфейсному контрольному документу, основними розробниками системи є:

по космічному сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

по сегменту управління - IBM, Federal System Company;

по сегменту споживачів - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Як і система ГЛОНАСС, GPS складається з космічного сегмента, наземного командно-вимірювального комплексу і сегмента споживачів.

Як було сказано вище, орбітальне угруповання GPS складається з 28 навігаційних космічних апаратів. Всі вони знаходяться на кругових орбітах з періодом обертання навколо Землі, рівним 12 годинам. Висота орбіти кожного супутника дорівнює ~ 20000 км. НКА системи GPS проходили ряд удосконалень, які позначалися на їх характеристиках в цілому. У табл. 1 наведені короткі характеристики космічних апаратів, які використовуються в системі.

Таблиця 1.Характеристика космічних апаратів, які використовуються в системі GPS

Таблиця 2.Сравнітельние характеристики систем ГЛОНАСС і GPS

При проектуванні системи в цілому і НКА зокрема, велика увага приділяється питанням автономного функціонування. Так, космічні апарати першого покоління (Блок-I) забезпечували нормальну роботу системи (мається на увазі, без істотних помилок визначення координат) без втручання сегмента управління протягом 3√4 днів. В апаратах Блок-II цей термін був збільшений до 14 днів. У новій модифікації НКА Блок-IIR дозволяє автономно працювати протягом 180 днів без коригування параметрів орбіти з землі, користуючись лише автономним комплексом взаємної син-хронізації супутників. Апарати Блок-IIF передбачається використовувати замість відпрацьованих Блок-IIR.

Структура навігаційних радіосигналів системи Глонасс

В системі Глонасс використовується частотне розділення сигналів (FDMA), випромінюваних кожним супутником - двох фазоманіпулірованних сигналів. Частота першого сигналу лежить в діапазоні L1 ~ 1600 МГц, а частота другого - в діапазоні L2 ~ 1250 МГц. Номінальні значення робочих частот радіосигналів, що передаються в діапазонах L1 і L2, визначаються виразом:

f k1 = f 1 + kf 1 f k2 = f 2 + kf 2 k = 0,1, ..., 24, (1)

де k = 0,1, ..., 24 - номера литеров (каналів) робочих частот супутників;

f 1 = 1602 МГц; f 1 = 9/16 = 0,5625 МГц; f 2 = 1246 МГц; f 2 = 7/16 = 0,4375 МГц.

Для кожного супутника робочі частоти сигналів в діапазоні L1 і L2 когерентність і формуються від єдиного зразка частоти. Ставлення робочих частот несучої кожного супутника:

f k1 / f k2 = 7/9.

Номінальне значення частоти бортового генератора, з точки зору спостерігача, що знаходиться на поверхні Землі, так само 5,0 MГц.

В діапазоні L1 кожен супутник системи Глонасс випромінює 2 несучі на одній і тій же частоті, зрушені один щодо одного по фазі на 90º (рис. 5).

Малюнок 5.Векторная діаграма несучих сигналів систем ГЛОНАСС і GPS

Одна з несучих піддається фазової маніпуляції на 180º. Модулюючий сигнал отримують складанням по модулю 2 трьох довічних сигналів (рис. 6):

грубого далекомірного коду, переданого зі швидкістю 511 Кбіт / с (рис. 6в);

послідовності навігаційних даних, що передаються зі швидкістю 50 біт / с (рис. 6а);

меандрового коливання, переданого зі швидкістю 100 біт / с (рис. 6б).

Малюнок 6.Структура сигналу ГЛОНАСС

Сигнал в діапазоні L1 (аналогічний C / A-коду в GPS) доступний для всіх споживачів в зоні видимості КА. Сигнал в діапазоні L2 призначений для військових потреб, і його структура не розкривається.

Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи ГЛОНАСС

Навігаційне повідомлення формується у вигляді безперервно наступних рядків, кожна тривалістю 2 с. У першій частині рядка (інтервал 1,7 с) передаються навігаційні дані, а в другій (0,3 с) - Метка Часу. Вона являє собою скорочену псевдослучайную послідовність, що складається з 30 символів з тактовою частотою 100 біт / с.

Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС необхідні споживачам для навігаційних визначень і планування сеансів зв'язку з супутниками. За своїм змістом навігаційні повідомлення діляться на оперативну і Неоперативне інформацію.

Оперативна інформація відноситься до супутника, з сигналу якого вона була отримана. До оперативної інформації відносять:

оцифровку міток часу;

відносне відміну несучої частоти супутника від номінального значення;

ефемеридна інформація.

Час прив'язки ефемеридної інформації і частотно-часові поправки, які мають півгодинну кратність від початку доби, дозволяють точно визначати географічні координати і швидкість руху супутника.

Неоперативна інформація містить альманах, що включає:

дані про стан всіх супутників системи;

зсув шкали часу супутника щодо шкали системи;

параметри орбіт всіх супутників системи;

поправку до шкали часу системи Глонасс.

Вибір оптимального "сузір'я" КА і прогнозу доплерівського зсуву несучої частоти забезпечується за рахунок аналізу альманаху системи.

Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС структуровані у вигляді суперкадрів тривалістю 2,5 хв. Суперкадр складається з п'яти кадрів тривалістю 30 с. Кожен кадр містить 15 рядків тривалістю 2 с. З 2 з тривалості рядки останні 0,3 с займає мітка часу. Інша частина рядка містить 85 символів цифрової інформації, що передаються з частотою 50 Гц.

У складі кожного кадру передається повний обсяг оперативної інформації і частина альманаху системи. Повний альманах міститься в усьому суперкадрі. При цьому інформація суперкадра, що міститься в рядках 1√4, відноситься до того супутнику, з якого вона надходить (оперативна частина), і не змінюється в межах суперкадра.

Структура навігаційних радіосигналів системи GPS

В системі GPS використовується кодове розділення сигналів (СDMA), тому всі супутники випромінюють сигнали з однаковою частотою. Кожен супутник системи GPS випромінює два фазоманіпулірованних сигналу. Частота першого сигналу становить L1 = 1575,42 МГц, а другого - L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несучої частоти L1 модулюється двома двійковими послідовностями, кожна з яких утворена шляхом підсумовування по модулю 2 далекомірного коду і переданих системних і навігаційних даних, що формуються зі швидкістю 50 біт / с. На частоті L1 передаються дві квадратурні компоненти, біфазної маніпульовані двійковими послідовностями. Перша послідовність є сумою по модулю 2 точного далекомірного коду Р або засекреченого коду Y і навігаційних даних. Друга послідовність також є сумою по модулю 2 грубого З / A (відкритого) коду і тій же послідовності навігаційних даних.

Радіосигнал на частоті L2 біфазної маніпулювати тільки однієї з двох раніше розглянутих послідовностей. Вибір модулирующей послідовності здійснюється по команді з Землі.

Кожен супутник використовує властиві тільки йому дальномірні коди С / A і Р (Y), що і дозволяє розділяти супутникові сигнали. У процесі формування точного далекомірного Р (Y) коду одночасно формуються мітки часу супутникового сигналу.

Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи GPS

Структурний розподіл навігаційної інформації супутників системи GPS здійснюється на Суперкадр, кадри, підкадрів і слова. Суперкадр утворюється з 25 кадрів і займає 750 с (12,5 хв). Один кадр передається протягом 30 с і має розмірі 1500 біт. Кадр розділений на 5 підкадрів по 300 біт і передається протягом інтервалу 6 с. Початок кожного підкадрів позначає мітку часу, відповідну початку / закінчення чергового 6-з інтервалу системного часу GPS. Підкадрів складається з 10 30-біт слів. У кожному слові 6 молодших розрядів є перевірочними бітами.

В 1-, 2- і 3-м підкадрів передаються дані про параметри корекції годин і дані ефемерид КА, з яким встановлено зв'язок. Зміст і структура цих підкадрів залишаються незмінними на всіх сторінках суперкадра. У 4- і 5-м підкадрів міститься інформація про конфігурацію та стан всіх КА системи, альманахи КА, спеціальні повідомлення, параметри, що описують зв'язок часу GPS з UTC, та інше.

Алгоритми прийому та вимірювання параметрів супутникових радіонавігаційних сигналів

До сегменту споживачів систем GPS і ГЛОНАСС відносяться приймачі сигналів супутників. За вимірами параметрів цих сигналів вирішується навігаційна завдання. Приймач можна розділити на три функціональні частини:

радіочастотну частина;

цифровий ~ коррелятор;

процесор.

З виходу антенно-фідерного пристрою (антени) сигнал надходить на радіочастотну частина (рис. 7). Основне завдання цієї частини полягає в посиленні вхідного сигналу, фільтрації, перетворенні частоти і аналого-цифровому перетворенні. Крім цього, з радіочастотної частини приймача надходить тактова частота для цифрової частини приймача. З виходу радіочастотної частини цифрові відліки вхідного сигналу надходять на вхід цифрового коррелятора.

Малюнок 7.Обобщенная структура приймача

У коррелятора спектр сигналу переноситься на "нульову" частоту. Це проводиться шляхом перемноження вхідного сигналу коррелятора з опорним гармонійним коливанням в синфазном і квадратурного каналах. Далі результат перемноження проходить кореляційну обробку шляхом перемноження з опорним далекомірним кодом і накопиченням на періоді далекомірного коду. У підсумку отримуємо кореляційні інтеграли I і Q. Відліки кореляційних інтегралів надходять в процесор для подальшої обробки і замикання петель ФАП (фазова автопідстроювання) і ССЗ (схема стеження за затримкою). Вимірювання параметрів сигналу в приймачі проводяться не безпосередньо по вхідному сигналу, а по його точної копії, що формується системами ФАП і ССЗ. Кореляційні інтеграли I і Q дозволяють оцінити ступінь "схожості" (коррелированности) опорного і вхідного сигналів. Завдання коррелятора, крім формування інтегралів I і Q, - формувати опорний сигнал, згідно з керуючими впливами (кодами управління), які надходять з процесора. Крім того, в деяких приймачах коррелятор формує необхідні вимірювання опорних сигналів і передає їх в процесор для подальшої обробки. У той же час, так як опорні сигнали в коррелятора формуються по керуючим кодами, що надходять з процесора, то необхідні вимірювання опорних сигналів можна проводити безпосередньо в процесорі, обробляючи відповідним чином керуючі коди, що і робиться в багатьох сучасних приймачах.

Які параметри сигналу вимірює коррелятор (процесор)?

Дальність при радіотехнічних вимірах характеризується часом поширення сигналу від об'єкта вимірювання до вимірювального пункту. У навігаційних системах GPS / ГЛОНАСС випромінювання сигналів синхронізовано зі шкалою часу системи, точніше, зі шкалою часу супутника, що випромінює даний сигнал. У той же час, споживач має інформацію про розбіжність шкали часу супутника і системи. Цифрова інформація, передана із супутника, дозволяє встановити момент випромінювання деякого фрагмента сигналу (мітки часу) супутником в системному часу. Момент прийому цього фрагмента визначається за шкалою часу приймача. Шкала часу приймача (споживача) формується за допомогою кварцових стандартів частоти, тому спостерігається постійний "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. Різниця між моментом прийому фрагмента сигналу, відрахувавши за шкалою часу приймача, і моментом випромінювання його супутником, відрахувавши за шкалою супутника, помножена на швидкість світла, називається псевдодальністю. Чому псевдодальністю? Тому що вона відрізняється від істинної дальності на величину, що дорівнює добутку швидкості світла на "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. При вирішенні навігаційної задачі цей параметр визначається нарівні з координатами споживача (приймача).

Кореляційні інтеграли, що формуються в коррелятора, дозволяють відстежити модуляцію сигналу супутника символами інформації і обчислити мітку часу у вхідному сигналі. Мітки часу слідують з періодичністю 6 с для GPS і 2 с для ГЛОНАСС і утворюють своєрідну 6 (2) -секундную шкалу. В межах одного поділу цієї шкали періоди далекомірного коду утворюють 1-мс шкалу. Одна мілісекунда розділена, в свою чергу, на окремі елементи (chips, в термінології GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким чином, елементи далекомірного коду дозволяють визначити дальність до супутника з похибкою ~ 300 м. Для більш точного визначення необхідно знати фазу генератора далекомірного коду. Схеми побудови опорних генераторів коррелятора дозволяють визначати його фазу з точністю до 0,01 періоду, що становить точність визначення псевдо 3 м.

На підставі вимірів параметрів опорного гармонійного коливання, що формується системою ФАП, визначають частоту і фазу несучого коливання супутника. Його відхід щодо номінального значення дасть доплеровское зміщення частоти, за яким оцінюється швидкість споживача щодо супутника. Крім того, фазові вимірювання несучої дозволяють уточнити дальність до супутника з похибкою в кілька мм.

Визначення координат споживача

Для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника. Для того, щоб споживач міг визначити координати супутників, які випромінює ними навігаційні сигнали моделюються повідомленнями про параметри їх руху. В апаратурі споживача відбувається виділення цих повідомлень і визначення координат супутників на потрібний момент часу.

Координати і складові вектора швидкості змінюються дуже швидко, тому повідомлення про параметри руху супутників містять відомості не про їх координатах і складових вектора швидкості, а інформацію про параметрах деякої моделі, апроксимуючої траєкторію руху КА на досить великому інтервалі часу (близько 30 хвилин). Параметри апроксимуючої моделі змінюються досить повільно, і їх можна вважати постійними на інтервалі апроксимації.

Параметри апроксимуючої мо-діли входять до складу навігаційних повідомлень супутників. В системі GPS використовується кеплерівської модель руху з оскулюючих елементами. У цьому випадку траєкторія польоту КА розбивається на ділянки апроксимації тривалістю в одну годину. У центрі кожної ділянки задається вузловий момент часу, значення якого повідомляється споживачеві навігаційної інформації. Крім цього, споживачеві повідомляють параметри моделі оскулюючих елементів на вузловий момент часу, а також параметри функцій, що апроксимують зміни параметрів моделі оскулюючих елементів в часі як попередньому вузловому елементу, так і наступному за ним.

В апаратурі споживача виділяється інтервал часу між моментом часу, на який потрібно визначити положення супутника, і вузловим моментом. Потім за допомогою апроксимуючих функцій та їх параметрів, виділених з навігаційного повідомлення, обчислюються значення параметрів моделі оскулюючих елементів на потрібний момент часу. На останньому етапі за допомогою звичайних формул кеплеровской моделі визначають координати і складові вектора швидкості супутника.

В системі Глонасс для визначення точного положення супутника використовуються диференціальні моделі руху. У цих моделях координати і складові вектора швидкості супутника визначаються чисельним інтеграцією диференціальних рівнянь руху КА, що враховують кінцеве число сил, що діють на КА. Початкові умови інтегрування задаються на вузловий момент часу, що розташовується посередині інтервалу апроксимації.

Як було сказано вище, для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника, яка визначається в навігаційному приймачі з точністю близько 1 м. Для зручності розглянемо найпростіший "плоский" випадок, представлений на рис . 8.

Малюнок 8.Определеніе координат споживача

Кожен супутник (рис. 8) можна представити у вигляді точкового випромінювача. В цьому випадку фронт електромагнітної хвилі буде сферичним. Точкою перетину двох сфер буде та, в якій знаходиться споживач.

Висота орбіт супутників становить порядок 20000 км. Отже, другу точку перетину кіл можна відкинути через апріорних відомостей, так як вона знаходиться далеко в космосі.

Диференціальний режим

Супутникові навігаційні системи дозволяють споживачеві отримати координати з точністю порядку 10√15 м. Однак для багатьох завдань, особливо для навігації в містах, потрібна велика точність. Один з основних методів підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта заснований на застосуванні відомого в радіонавігації принципу диференціальних навігаційних вимірювань.

Диференціальний режим DGPS (Differential GPS) дозволяє встановити координати з точністю до 3 м в динамічної навігаційної обстановці і до 1 м - в стаціонарних умовах. Диференціальний режим реалізується за допомогою контрольного GPS-приймача, званого опорної станцією. Вона розташовується в пункті з відомими координатами, в тому ж районі, що і основний GPS-приймач. Порівнюючи відомі координати (отримані в результаті прецизійної геодезичної зйомки) з виміряними, опорна станція обчислює поправки, які передаються споживачам по радіоканалу в заздалегідь обумовленому форматі.

Апаратура споживача приймає від опорної станції диференціальні поправки і враховує їх при визначенні місцезнаходження споживача.

Результати, отримані за допомогою диференціального методу, в значній мірі залежать від відстані між об'єктом і опорної станцією. Застосування цього методу найбільш ефективно, коли переважаючими є систематичні помилки, обумовлені зовнішніми (по відношенню до приймача) причинами. За експериментальними даними, опорну станцію рекомендується розташовувати не далі 500 км від об'єкту.

В даний час існують безліч широкозонних, регіональних і локальних диференціальних систем.

Як широкозонних варто відзначити такі системи, як американська WAAS, європейська EGNOS і японська MSAS. Ці системи використовують геостаціонарні супутники для передачі поправок всім споживачам, що знаходяться в зоні їх покриття.

Регіональні системи призначені для навігаційного забезпечення окремих ділянок земної поверхні. Зазвичай регіональні системи використовують у великих містах, на транспортних магістралях і судноплавних річках, в портах і по березі морів і океанів. Діаметр робочої зони регіональної системи зазвичай становить від 500 до 2000 км. Вона може мати в своєму складі одну або кілька опорних станцій.

Локальні системи мають максимальний радіус дії від 50 до 220 км. Вони включають зазвичай одну базову станцію. Локальні системи зазвичай поділяють за способом їх застосування: морські, авіаційні та геодезичні локальні диференціальні станції.

Розвиток супутникової навігації

Загальний напрямок модернізації обох супутникових систем GPS і ГЛОНАСС пов'язано з підвищенням точності навігаційних визначень, поліпшенням сервісу, що надається користувачам, підвищенням терміну служби і надійністю бортової апаратури супутників, поліпшенням сумісності з іншими радіотехнічними системами і розвитком диференціальних підсистем. Загальний напрямок розвитку систем GPS і ГЛОНАСС збігається, але динаміка і досягнуті результати сильно відрізняються.

Удосконалення системи ГЛОНАСС планується здійснювати на базі супутників нового покоління "ГЛОНАСС-М". Цей супутник буде володіти збільшеним ресурсом служби і стане випромінювати навігаційний сигнал в діапазоні L2 для цивільних застосувань.

Аналогічне рішення було прийнято в США, де 5 січня 1999 року проголошено про виділення 400 млн. Дол. На модернізацію системи GPS, пов'язану з передачею C / A-коду на частоті L2 (1222,7 МГц) і введенням третьої несучої L3 (1176, 45 МГц) на КА, які будуть запускатися з 2005 року. Сигнал на частоті L2 намічено використати для цивільних потреб, не пов'язаних безпосередньо з небезпекою для життя людей. Пропонується почати реалізацію цього рішення з 2003 року. Третій цивільний сигнал на частоті L3 вирішено використовувати для потреб цивільної авіації.

література

Радіотехнічні системи. Під ред. Казарінова Ю.М. М .: Вища школа, 1990..

Соловйов Ю.А. Системи супутникової навігації. М .: Еко-Трендз, 2000..

Глобальна супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.І. Перова, В.А. Болдіна. М .: ІПРЖР, 1998..

Ліпкин І.А. Супутникові навігаційні системи. М .: Вузівська книга, 2001..

Глобальна навігаційна супутникова система ГЛОНАСС. Інтерфейсний контрольний документ. М .: кницами ВКС, 1995.

Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200).Rockwell Int. Corp. 1987.