Спутниковая система навигации

Как известно, спутниковая GPS-система  оплачивается и находится под  контролем Департамента обороны  США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих  военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью  специального Р-кода, который может  быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы  времени от спутниковых атомных  часов добавляется случайная  ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-премников ухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50–150 м.

В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее, чем в теории. Это объясняется  влиянием на GPS измерения различного рода ошибок. Можно выделить три категории ошибок:

- ошибки системы.

- ошибки связанны с распространением навигационного сигнала.

- ошибки приемной аппаратуры.

Ошибки системы связаны  точностью атомных часов спутников  и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться  от истинного значения системного эталона  времени. Отклонение в 30 нс ведет к  ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных  сообщений и учитываются GPS приемником в вычислениях позиции.

Второй тип системных  ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все  равно присутствуют. Наиболее существенный вклад в навигационные измерения вносят ошибки, связанные с распространением сигнала в атмосфере Земли, а именно в ионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время. Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от GPS приемника до спутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят все погодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скорость распространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используют дифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников WAAS/EGNOS и позволяют повысить точность позиционирования до 1 метра.

Ошибки многолучевости можно одновременно отнести и к категории ошибок, связанных с распространением навигационного GPS сигнала, и к ошибкам GPS приемника. Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационного сигнала от близкорасположенных объектов – зданий, металлических конструкций, деревьев и т.п.. В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переотраженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Современное состояние

 

 

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию  следующие системы спутниковой  навигации:

NAVSTAR (GPS)

Принадлежит министерству обороны  США, что считается другими государствами  её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

ГЛОНАСС

Глобальная навигационная  спутниковая система (ГЛОНАСС) –  советская и российская спутниковая  система навигации, разработанная  по заказу Министерства обороны СССР. Принадлежит министерству обороны России. Является попыткой восстановить функционировавшую с 1982 года советскую систему. Находится на этапе повторного развёртывания спутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной группировки спутников, запущенных в СССР, было в 1993–1995 гг.). Современная система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR. Однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

Развёртываемая в настоящее  время Китаем подсистема GNSS, предназначенная  для использования только в этой стране. Особенность – небольшое  количество спутников, находящихся  на геостационарной орбите.

Galileo

Европейская система, находящаяся  на этапе создания спутниковой группировки.

IRNSS

 

 

5. Системы спутниковой навигации  ГЛОНАСС и GPS

 

 

Система Глонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей структуре Глонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами):

- космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

- сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

- аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции – навигационных определений, – система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника – 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечных батарей. Общая масса спутника – 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят: бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.

Сегмент наземного комплекса  управления системы ГЛОНАСС выполняет  следующие функции:

- эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

- мониторинг радионавигационного поля;

- радиотелеметрический мониторинг НКА;

- командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени  различных спутников с необходимой  точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с  относительной нестабильностью  порядка 10–13. На наземном комплексе  управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10–14. Кроме того, в состав НКУ  входят средства коррекции шкал времени  спутников относительно эталонной  шкалы с погрешность 3–5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.            

Состав и структура  навигационных сообщений спутников  системы Глонасс:

Навигационное сообщение  формируется в виде непрерывно следующих  строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) – Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.

Навигационные сообщения  спутников системы Глонасс необходимы потребителям для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится  к спутнику, из сигнала которого она была получена. К оперативной  информации относят:

- оцифровку меток времени;

- сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

- относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения;

- эфемеридная информация.

Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения спутника.

Неоперативная информация содержит альманах, включающий:

- данные о состоянии всех спутников системы;

- сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

- параметры орбит всех спутников системы;

- поправку к шкале времени системы Глонасс.

Выбор оптимального «созвездия»  КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частоты обеспечивается за счёт анализа альманаха системы.

Навигационные сообщения  спутников системы Глонасс структурированы в виде суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с. Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительности строки последние 0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит 85 символов цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.

В составе каждого кадра  передаётся полный объём оперативной  информации и часть альманаха  системы. Полный альманах содержится во всём суперкадре. При этом информация суперкадра, содержащаяся в строках 1–4, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.

Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.

Дальность при радиотехнических измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта  измерения до измерительного пункта. В навигационных системах GPS/ГЛОНАСС  излучение сигналов синхронизировано со шкалой времени системы, точнее, со шкалой времени спутника, излучающего  данный сигнал. В то же время, потребитель  имеет информацию о расхождении  шкалы времени спутника и системы. Цифровая информация, передаваемая со спутника, позволяет установить момент излучения некоторого фрагмента  сигнала (метки времени) спутником  в системном времени. Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника. Шкала  времени приёмника (потребителя) формируется  с помощью кварцевых стандартов частоты, поэтому наблюдается постоянный «уход» шкалы времени приёмника  относительно шкалы времени системы. Разность между моментом приёма фрагмента  сигнала, отсчитанным по шкале времени  приёмника, и моментом излучения  его спутником, отсчитанным по шкале  спутника, умноженная на скорость света, называется псевдодальностью. Почему псевдодальностью? Потому что она отличается от истинной дальности на величину, равную произведению скорости света на «уход» шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При решении навигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатами потребителя (приёмника).

Корреляционные интегралы, формируемые в корреляторе, позволяют  отследить модуляцию сигнала  спутника символами информации и  вычислить метку времени во входном  сигнале. Метки времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуют своеобразную 6 (2) – секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалы периоды дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, в свою очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS – 1023, для ГЛОНАСС – 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяют определить дальность до спутника с погрешностью ~ 300 м. Для более точного определения необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемы построения опорных генераторов коррелятора позволяют определять его фазу с точностью до 0,01 периода, что составляет точность определения псевдодальности 3 м.