Методы радиоуглометрии. Амплитудный, временной и фазовый методы радиоуглометрии

     Следовательно,  спутниковые системы «TRANSIT» обладали рядом существенных недостатков:

     - в первую очередь – недостаточная  точность измерения координат  динамичных объектов;

     - отсутствие непрерывности в измерениях.

     В  результате ученые США при  разработке новой спутниковой  радионавигационной системы столкнулись с теми же проблемами, что и ученые СССР. Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов (шкал времени) спутников с необходимой точностью.

     Второй  проблемой, с которой столкнулись  разработчики при создании высокоорбитальных  спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение  и прогнозирование параметров  орбит ИСЗ. Аппаратура приемника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя.

     Для  этих целей в 1967 году ВМС  США была разработана программа,  по которой был осуществлен  запуск спутника TIMATION - I, а в 1969 году – спутника TIMATION - II. На борту этих спутников впервые использовались кварцевые генераторы. В то же время. ВВС США параллельно вели свою программу по использованию широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Коррекционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников с кодовым разделением сигналов от различных спутников.

     В  1973 году две программы были  объединены в одну общую систему  под названием «NAVSTAR - GPS».

     В  1991 году система «NAVSTAR - GPS» стала доступна для гражданских пользователей.

     К  1996 году развертывание системы  было завершено полностью.

 

 

 

Рис.14.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.2.2.    Основные  преимущества  спутниковых   навигационных  систем (СНС) 

 

     Одним  из основных направлений использования  искусственных спутников Земли в авиации является их применение для навигации, воздушных судов и направления воздушного движения.

    Основная  функция системы – определение  трехмерных координат пользователя, вектора скорости и времени.  Кроме того, она может использоваться для навигации на всех этапах полета:

- рулении;

- взлете;

- полете по  маршруту;

- заходе на  посадку по категориям ИКАО;

а так же при:

          - управлении воздушным движением;

          - обеспечении безопасности полетов;

          - проведении спасательных операций;

          - проведении географических привязок.

     Помимо  уникальной, недостижимой для других  устройств точности, система обладает  большой гибкостью применений  и легко сопрягается с другими  традиционными бортовыми системами  – инерциальными,  радиотехническими и т. д., и имеет ряд преимуществ перед ними:

         - большая высота полета ИСЗ  позволяет создать глобальную  зону действия радиотехнических  средств, установленных на спутниках,  при использовании достаточно  простых антенных устройств, как на спутниках, так и на воздушных судах;

         - с помощью созвездия ИСЗ обеспечивается  создание навигационной системы,  охватывающей территорию земного  шара;

         - нахождение спутника в пределах  прямой видимости в любой точке  зоны действия его радиотехнических средств позволяет использовать наиболее помехоустойчивые диапазоны радиоволн и передавать сигналы с наименьшими искажениями;

         - высока точность определения  трехмерных координат, составляющих  скорости и времени;

         - однозначность навигационных определений, выдаваемых в единой для всех потребителей системе координат;

         - независимость точности определений  от времени суток и метеоусловий;

         - высокая помехозащищенность;

         -  неограниченность числа обслуживаемых потребителей;

         - обеспечивается относительная  простота и дешевизна бортового  оборудования СНС на воздушном  судне, обусловленная отсутствием  передатчика и современными технологиями  обработки сигнала;

         - возможность при дальнейшем  развитии СНС комплексное использование спутниковых систем для решения задач навигации, связи и наблюдения.

     Отмеченные  достоинства СНС позволяют при  модернизации и внедрении облегчить  решение задач по обеспечению  воздушного движения. Наиболее важными  из них являются:

         - повышение уровня безопасности  полетов;

         - повышение точности навигации,  особенно в районах со слабо  развитой структурой наземного  оборудования навигационных РТС  и над водными пространствами;

         - уменьшение интервалов эшелонирования между воздушными судами и увеличение пропускной способности воздушного пространства;

         - спрямление воздушных трасс.

     Помимо использования  СНС в целях повышения точности  и надежности навигации воздушных  судов. Значительно снижаются прямые расходы государств по обеспечению воздушного движения. Так, например, стоимость бортового оборудования GPS составляет 18-25% от стоимости бортового оборудования VOR/DME, а стоимость наземного оборудования GPS, предназначенного для обеспечения посадки ВС, составляет 10% от стоимости системы посадки ILS.

     При этом  следует учесть, что для аэродрома  с двумя ВПП необходимо иметь  четыре комплекта ILS и только один комплект соответствующего наземного оборудования GPS.

     Ввиду  неоспоримых технических и экономических преимуществ спутниковой системы, ИКАО было принято решение о создании всемирной спутниковой системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения – CNS/ATM (Communication Navigation and Surveillance/Air Traffic Management) с использованием глобальной навигационной спутниковой системы GNSS (Global Navigation Satellite System), функционирующей на основе GPS и ГЛОНАСС. Специально созданным комитетом ИКАО была разработана концепция будущих аэронавигационных систем CNS/ATM. По масштабу производимых изменений переход к системам CNS/ATM становится самой крупной программой, которую когда-либо приходилось решать авиационному сообществу.

    Рассматривая  основные аспекты системы CNS/ATM необходимо отметить, что возможно использование линии связи «ВС – спутник – диспетчерский пункт» для передачи речевой информации и данных в полосе частот, выделенных исключительно для авиационной подвижной спутниковой службы (AMSS). В то же время по-прежнему, где возможно, будет использоваться обычная связь в УКВ-диапазоне и режим S радиолокатора вторичного обзора (SSR). Все эти каналы передачи данных (AMSS, УКВ, режим S) будут интегрированы посредством сети авиационной электросвязи (ATN). При этом созданная структура системы связи обеспечит широкий круг возможностей – от базовых низкоскоростных до высокоскоростных систем передачи данных и речевой информации.

    Что  касается навигации, то здесь отдается полное предпочтение GNSS. Решение навигационных задач на всех этапах полета перекладывается на спутниковые системы и соответствующее бортовое оборудование. Предполагается, что СНС постепенно заменит все существующие навигационные системы, используемые в настоящее время, и станет единственным средством, обеспечивающим навигацию на всех этапах полета. Включая обеспечение точного захода на посадку по третьей категории ИКАО. В настоящее время разработаны требуемые навигационные характеристики (RNP), которые определяют требования, предъявляемые к точности выдерживания навигационных параметров на различных этапах полета и в различных районах воздушного пространства.

     Для наблюдения, особенно в районах с высокой интенсивностью и плотностью воздушного движения, по-прежнему будет широко применяться SSR, дополненный режимом S там, где это возможно. В других районах, особенно в океаническом воздушном пространстве и в удаленных районах суши наблюдение будет осуществляться посредством автоматического зависимого наблюдения (ADS). При использовании воздушное судно автоматически передает информацию о своем местоположении центрам обслуживания воздушного движения через спутниковую или иную линию связи. Такая система обеспечит информацией ОВД в тех районах, где в настоящее время службы наблюдения отсутствуют.

    Внедрение  новых систем для органов воздушного  движения позволит обеспечить более тесное взаимодействие между наземными и бортовыми системами до и во время полета. Это даст возможность выполнять полеты по заданным пространственно-временным программам, т.е. более полно использовать преимущества зональной навигации (RNAV). Таким образом, система CNS/ATM обеспечит более эффективное использование воздушного пространства как на маршруте, так и в районах аэродромов. 

 

   14.2.3.  Организационная структура СНС «ГЛОНАСС» и GPS

 

     Организация  работы с обеих систем в целом является схожей. ГЛОНАСС и GPS состоят из трех основных частей (в профессиональной литературе эти части называются – сегментами).

     В  состав обоих систем входит:

     - космический  сегмент – в который входит  орбитальная группировка искусственных спутников Земли;

     - сегмент управления  – сеть наземных станций слежений  и управления за ИСЗ;

     - сегмент потребителей  – собственно GPS – приемники.

 

 

      

                                                Рис.14.3.

 

Космический сегмент ГЛОНАСС

     Он  состоит из 24 спутников (21 основной 3 резервных, находящихся в горячем  режиме) расположенных на круговых  средних орбитах. Плоскости орбит  наклонены на угол 64,3⁰ к плоскости экватора и равномерно расположены на 3-х орбитах по 8 спутников на каждой. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 120⁰. Период обращения составляет 11ч 15,7 мин.

 

 

Рис.14.4.

     Спутник  ГЛОНАСС конструктивно состоит  из цилиндрического гермоконтейнера  с приборным блоком, рамы антенно-фидерных  устройств. Приборов системы ориентации. Панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для колибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности для спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли. Площадь уголковых отражателей 0,25 м².

     В  состав бортовой аппаратуры входят:

     - навигационный комплекс;

     - комплекс управления;

     - система ориентации и стабилизации;

     - система коррекции;

     - система терморегулирования;

     - система электроснабжения.

 

     Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входит: синхронизатор формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастей на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

 

     Комплекс управления обеспечивает управление системами спутника и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля.

     Командно-измерительная  система обеспечивает измерение  дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени,  управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии. Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.

 

     Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты - носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. В системе используется прибор на основе инфракрасного построения местной вертикали (для ориентации на центр Земли) и прибор для ориентации на Солнце.

     Погрешность  ориентации на центр Земли  – не хуже 3⁰, а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце – не более 5⁰.

     Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления ей.