Спутниковые навигационные системы

Принципы функционирования спутниковых навигационных систем. Требования, предъявляемые к СНС: глобальность, доступность, целостность, непрерывность обслуживания. Космический, управленческий, потребительский сегменты. Орбитальная структура NAVSTAR, ГЛОНАСС.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская NAVSTAR. Именно к ним принято относить популярное сокращение GPS.

Общие принципы функционирования СНС

СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR создавались исходя из следующих требований: глобальность, помехозащищенность, непрерывность работы, независимость от погодных условий, рельефа, степени подвижности объекта.

Важнейшие из этих требований:

· доступность - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения;

· целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течении заданного промежутка времени;

· непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.

Под заданным промежутком времени понимают наиболее важный для потребителя (например, посадка лайнера).

ИКАО - учреждение ООН, устанавливающее международные нормы гражданской авиации - с целью повышения безопасности использования авиации, выдвинуло жесткие требования к основным параметрам СНС ( от 0,999 до 0,99999).

Основа концепции NAVSTAR и ГЛОНАСС составили: независимость (определение искомых навигационных данных в аппаратуре потребителя) - это усложняет оборудование потребителя, но не значительно; беззапросность (все вычисления в пользовательской аппаратуре производятся на основе пассивно принятых сигналов от НКА с известными орбитальными координатами). Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность (произвольное число потребителей могут использовать СНС в любое время).

Весь результат СНС достигается путем взаимодействия 3 сегментов: космический, управления и потребителей.

Космический сегмент.

Точность местоопределения зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Необходимо, чтобы в зоне видимости потребителя были 3-5 НКА.

На практике орбитальная структура строится так, чтобы их было 6. Есть также резервные спутники.

Основная задача НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения навигационных задач. Состав оборудования НКА: радиопередающее оборудования - для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование - для приема команд от наземных комплексов управления; антенны; бортовой эталон времени; солнечные и аккумуляторные батареи и т.д.

НКА сигналы имеют 2 составляющие: дальномерную (для определения навигационных параметров - дальность до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственная ориентация); служебную (содержит информацию о координатах спутника).

NAVSTAR и ГЛОНАСС часто называют сетевыми, так как важное значение имеет синхронизация НКА и объединение их в сеть.

Существует в СНС такое понятие, как джаминг (подавление сигнала вражеской СНС, вызывая помехи), спуфинг (подмена сигнала) и антиспуфинг (защитная реакция СНС на спуфинг).

Сегмент управления

Этот сегмент состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС); наземного эталона времени и частоты.

КИС (размещаемые по возможности максимально равномерно) наблюдают за спутниками, принимают навигационные сигналы, осуществляют первичную обработку информации и производят обмен данными с главной станцией. После этого на главной станции математически обрабатывают сигнал и вычисляют корректировки.

Наземный эталон более точный, поэтому с ним синхронизируют все остальные.

Сегмент потребителей

Всех потребителей можно условно разбить на три вида: военные, частные и гражданские.

Состоит он из:

· радиочастотный тракт - в нем происходит прием радиосигналов НКА, их первичная обработка;

· вычислитель - для вторичной обработки (выделение навигационной информации, реализация алгоритма выбора оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя).

Определение координат НКА

При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. КИС расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. Результаты доступных наблюдений подвергаются математической обработке и на основании этих данных составляется прогноз параметров орбиты (эфемериды) вплоть до следующего прогноза.

Эфемериды - спрогнозированные, путем алгебраических вычислений, параметры орбиты и их производные.

Альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС вцелом.

Прецессии - движение по конусу.

Нутации - небольшие колебания.

Геоцентрическая инерционная система координат

Система координат, состоящая из трех осей (X, Y, Z) и точкой начала координат О, находящейся в центре тяжести Земли. Ось Х направлена от точки О в точку Овна (весеннего равноденствия) и проходит в плоскости экватора; Y - дополняет Х до правой в плоскости экватора; Z - совпадает с осью вращения Земли и проходит через полюсы.

Геоцентрическая подвижная система

Аналогичная инерционной системе, разница лишь в оси Х, проходящей через нулевой меридиан (Гринвичский).

Геодезическая система

Определяет координаты точки относительно земной поверхности. Широта - угол между отвесной линией, проходящей через точку, и плоскость экватора.

Долгота - угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку.

Невозмущенное (кеплеровое движение) - движение, на которое влияет только сила тяжести Земли и центр тяжести тела находится в центре тяжести Земли.

Возмущающие факторы

· притяжение Луны и Солнца;

· давление светового излучения Солнца;

· неравномерность гравитационного поля Земли;

· сопротивление среды при движении спутника.

Анализируя эти факторы, можно сделать выводы:

-экваториальные орбиты имеют наиболее стабильную форму, но нестабильное положение орбитальной плоскости и орбиты в этой плоскости;

-полярные орбиты имеют стабильную орбитальную плоскость, но сравнительно большие изменения формы орбиты;

-наклонные орбиты i?60° имеют компромиссную стабильность параметров.

ГЛОНАСС и NAVSTAR применяют средневысотные наклонные орбиты (i?60°).

Угол i - называется угол между экваториальной и орбитальной плоскостями. i?90° - приполярная орбита; i=90° - полярная; i=0° - экваториальная.

Не маловажным фактором является также угловая скорость (векторная величина, характеризующая скорость вращения тела). У круговых орбит она более стабильная, поэтому они используются ГЛОНАСС и NAVSTAR.

Характеристики спутников

1. Зона обзора.

Это участок земной поверхности, на котором можно принимать сигналы НКА и осуществлять за ним наблюдение. Центром этой зоны является географическое место спутника (в месте пересечения земной поверхности и линией, соединяющей центры тяжести Земли и НКА).

Совокупность таких мест называется трассой спутника.

Радиогоризонт - условная линия, меньше истинного горизонта на 5-10° - величину маски.

2. Зона видимости.

Область небосвода, в которой НКА наблюдается с момента восхода над горизонтом, до момента его захода за горизонт.

3. Продолжительность наблюдения.

Промежуток времени, во время которого потребитель наблюдает НКА. Максимален, если потребитель находится в трассе НКА. Зависит от высоты полета и от периода обращения.

спутниковый навигационный орбитальный космический

Навигационные задачи и методы их решения

Навигационными задачами принято считать нахождение пространственно-временных координат, и вектор его скорости (совокупность всех этих факторов принято считать «вектором потребителя»).

Совокупность точек с одинаковой дальностью до НКА ( R ) формируют поверхность положения, центр которой совпадает с фазовым центром передающей антенны.

При получении 2-ух поверхностей положения, получаем линию положения - совокупность точек, имеющих 2 заданных значения навигационного параметра R.

Навигационный параметр - геометрический параметр, совпадающий с радионавигационным.

Пересечение 2-ух сфер дает линию положения в виде окружности, из-за чего возникает неоднозначность местоположения, так как получаем две линии положения, п...