С разработкой в 1960 году атомных часов стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков кодированных сигналов. В 1964 году ВВС США начали разработку и испытания возможностей использования для местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми кодами. В 1973 году программы ВВС были объединены в общую технологическую программу «Навстар-GPS». Но полностью система оказалась развернутой только в 1995 году. Сегодня в составе GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования) находится более 30 искусственных спутников Земли. Около 100 компаний производят 600 типов приемной аппаратуры, которая используется в самых различных отраслях человеческой деятельности: от авиации и транспорта до строительства и земледелия. Мировой рынок продаж продукции, связанной с системой GPS, составляет около $20 млрд.
GPS предназначена для высокоточного определения трех координат места, составляющих векторы скорости и времени различных подвижных объектов. США предоставляют систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Космический сегмент образован орбитальной группировкой из 31 космического аппарата, которые находятся на 6 круговых орбитах высотой около 20 тыс. км. Период обращения космических аппаратов - 12 часов.
СНС ГЛОНАСС
Летные испытания среднеорбитальной отечественной навигационной системы начались в октябре 1982 года запуском спутника «Космос 1413». В 1995 году было завершено развертывание СНС ГЛОНАСС до ее штатного состава - 24 космических аппаратов.
Систему ГЛОНАСС можно по праву назвать достоянием России, так как позволить себе что-либо подобное смогли только две страны мира - США и Россия. К сожалению, российские космические аппараты обладали меньшим временем функционирования на орбите, чем американские, поэтому в условиях слабого финансирования парк спутников системы ГЛОНАСС сократился до 10-12 единиц, притом, что минимально необходимое количество КА на орбите для надежного определения места объектов составляет 18 КА. Дело усугубляло отсутствие доступных широкому потребителю приемников российского производства. В результате США извлекали прибыль из аналогичной системы GPS, а Россия несла убытки. В последние годы ситуация начала меняться к лучшему: на орбиту выводятся российские КА с повышенным сроком службы (7-9 лет); до 2007 года принято решение довести космическую группировку до минимально необходимых 18 КА; налаживается у нас и производство приемной аппаратуры.
Основное назначение СНС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. То есть любой объект (корабль, самолет, автомобиль или просто пешеход) в любом месте приземного пространства в любой момент времени способен всего за несколько секунд определить параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости.
В ГЛОНАСС применяются КА на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью земли. Период обращения КА - 11 часов 15 минут. Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты КА атомных стандартов частоты в системе обеспечивается взаимная синхронизация радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой. На подвижном объекте принимаются сигналы не менее чем от четырех радиовидимых спутников и используется для измерения не менее четырех псевдодальностей и радиальных псевдоскоростей. Результаты измерений и «эфемеридная информация», принятая от каждого КА, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости, а также смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени КА.
8.8.Точность определения координат объектов
Принципиально точность определения координат объектов с помощью СНС GPS и ГЛОНАСС примерно одинакова. Сигналы в системе GPS излучаются на частоте 1227 МГц и 1575 МГц, а ГЛОНАСС - 1250 МГц и 1600 МГц и кодируются для организации так называемого «селективного (избирательного) доступа». Оба сигнала используют два кода. Первый из них в GPS называется «легко обнаруживаемый», а в ГЛОНАСС - «стандартной точности». Второй код в GPS называется «закрытый» (в ГЛОНАСС - «высокой точности») и предназначен для санкционированного использования.
Пытаясь сделать GPS безальтернативной спутниковой навигационной системой для пользователей всего мира, 1 мая 2000 года пресс-служба Белого дома опубликовала заявление о прекращении использования режима селективного доступа к национальной СНС GPS, однако власти США сохранили за собой право по своему усмотрению избирательно восстанавливать его на региональной основе. СКП определения координат объектов с помощью обеих СНС GPS и ГЛОНАСС находится в пределах 5-40 м, СКП измерения скорости - 0,04-0,2 узла, высоты - 8-60 м.
Понятно, что для решения некоторых задач подобная точность не может считаться удовлетворительной, поэтому был внедрен дифференциальный режим функционирования среднеорбитных СНС. Суть этого режима состоит в том, что погрешность определения места с помощью СНС может быть уменьшена до десятков сантиметров путем оперативного измерения и излучения специальных поправок, автоматически принимаемых и учитываемых в аппаратуре потребителя услуг СНС. Измерять поправки целесообразно на стационарных объектах, а расстояние и время доведения их до потребителя не должны превышать 500 км и 20 минут соответственно (из-за так называемого уровня пространственной и временной корреляции). Такими стационарными объектами оказались радиомаяки, расположенные на побережье морей и океанов. Начата установка подобной аппаратуры и в России. Движение по искусственному каналу, ведущему в Санкт-Петербургский порт, обеспечивает дифференциальный режим СНС, поправки к сигналам которой излучаются радиомаяком Шепелевский, расположенным на берегу Финского залива.
В результате применения дифференциального режима СНС появилась принципиальная возможность осуществлять управление любым транспортным средством (от самолета и автомобиля до корабля) оператором, находящимся вне этого средства.
Проект «Галилео»
Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной СНС «Галилео», опирающейся на свои собственные спутники. Предполагается, что она должна быть:
1. независимой от GPS, но взаимодействующей с нею;
2. управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный или частичный контроль над этой системой);
3. более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы;
4. рентабельной;
5. открытой для участия других партнеров, в частности России (в последнее время наше участие в проекте не приветствуется).
Запуск первого КА состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы ожидается в 2008 году. По оценке специалистов, стоимость работ по программе «Галилео» до 2008 года составит $2,5-3 млрд, а ежегодная окупаемость после 2008 года - $150-210 млн.
Планируется, что «Галилео» будет передавать один общедоступный сигнал OAS (Open Access Service - служба открытого доступа) и один или два сигнала с контролируемым доступом CAS (Controlled Access Service - служба контролируемого доступа). Сигнал OAS должен быть эквивалентен GPS и обеспечивать точность порядка 10 м. Эта информация останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS. Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений.
В CAS, в свою очередь, возможны два уровня. CAS-1 будет открыт за плату всем желающим, в то время как CAS-2 станет доступен только правительственным потребителям. Предполагается, что система обеспечит определение места с точностью 3-4м.
Определение своего местоположения, как на суше, так и на море, в лесу или в городе - вопрос такой же актуальный на сегодняшний день, как и на протяжении прошлых веков. Эпоха открытия радиоволн существенно упростило задачу навигации и открыло новые перспективы перед человечеством во многих сферах жизни и деятельности, а с открытием возможности покорения космического пространства совершился огромный прорыв в области определения координат местоположения объекта на Земле. Для определения координат используется спутниковой системы навигации, который получает необходимую информацию от спутников, расположенных на орбите.
Сейчас в мире существуют две глобальных системы определения координат – российская ГЛОНАСС и американская NavStar, более известная как GPS (аббревиатура названия Global Position System – глобальная система позиционирования).
Cистема спутниковой навигации ГЛОНАСС была изобретена в Советском союзе еще в начале 80х годов прошлого века и первые испытания прошли в 1982 г. Она разрабатывалась по заказу Министерства Обороны и была специализирована для оперативной глобальной навигации наземных передвигающихся объектов.
Американская система навигации GPS по своей структуре, назначению и функциональности аналогична ГЛОНАСС и также разработана по заказу Министерства Обороны Соединенных Штатов. Она имеет возможность с высокой точностью определять как координаты наземного объекта, так и осуществлять временную и скоростную привязку. NavStar имеет на орбите 24 навигационных спутника, обеспечивающих непрерывное навигационное поле на всей поверхности Земли.
Приемоиндикатор системы спутниковой навигации (GPS-навигатор или ) принимает сигналы от спутников, измеряет расстояния до них, и по измеренным дальностям решает задачу определения своих координат – широты, долготы и, при приеме сигналов от 4-х и более спутников – высоты над уровнем моря, скорость, направление (курс), пройденный путь. В состав навигатора входят приемник с для приема сигналов, компьютер для их обработки и навигационных вычислений, дисплей для отображения навигационной и служебной информации и клавиатура для управления работой прибора.
Такие приемники предназначены для постоянной установки в рулевых рубках и на приборных панелях. Их основными особенностями являются: наличие выносной антенны и питание от внешнего источника постоянного тока. Они имеют, как правило, крупные жидкокристаллические монохромные экраны с алфавитно-цифровым и графическим отображением информации.
:
Компактный водонепроницаемый GPS/DGPS/WAAS приемник с высокими характеристиками, спроектированный для малых судов. Этот GPS приемник от компании способен принимать и обрабатывать дополнительные сигналы дифференциальных поправок DGPS/WAAS. Эта возможность обеспечивает, принимая поправки от радиомаяка или геостационарных спутников WAAS, использовать точность выше 5 метров.
Новый (D)GPS навигатор встроенным приемником дифференциальных поправок. Технология прокладки пути позволяет точно создавать маршруты высокой дальности. Есть возможность выбирать локсодромический курс (RL) для коротких дистанций и ортодромический (GC) для длинных.
С технологией прокладки пути позволяет точно создавать маршруты высокой дальности. Есть возможность выбирать локсодромический курс (RL) для коротких дистанций и ортодромический (GC) для длинных.
Стационарные приемники имеют широкие функциональные возможности, особенно профессиональные приборы для использования на море. Они обладают большим объемом памяти, возможностью решения различных навигационных задач, а их интерфейс предоставляет возможность включения в навигационную систему судна.
:
Это современный приемоиндикатор навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS разработанный для судов всех типов.
Разработан специалистами компании «Радио Комплекс» с использованием новейших достижений в области морской навигации. РК-2006 имеет возможность принимать сигналы уже развернутых спутниковых группировок, таких как ГЛОНАСС и GPS, но так же и перспективных европейских и азиатских систем позиционирования, это позволяет с повышенной помехоустойчивостью, и защищенностью от вывода из строя какой-либо системы, определять координаты судна и его курс и скорость.
Приёмник глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, от южнокорейского производителя морского радионавигационного оборудования Samyung ENC Co., Ltd - SGN-500.
При использовании ГЛОНАСС и GPS в комбинированных приёмниках (практически все ГЛОНАСС-приёмники являются комбинированными) точность определения координат практически всегда «отличная» вследствие большого количества видимых КА и их хорошего взаимного расположения.
Отображение навигационной информации
В приемниках ГЛОНАСС/ GPS используются два способа отображения информации: алфавитно-цифровой и графический (иногда используется термин «псевдографический»).
Алфавитно-цифровой способ для отображения получаемой информации использует:
- цифры (координаты, скорость, пройденный путь и т. п.)
- буквенные сочетания, поясняющие цифровые данные – обычно аббревиатуры фраз (например, МОВ – «Man Over Board» или, по-русски – «Человек за бортом!»
- сокращения слов (например,SPD – speed – скорость, TRK – Track – трасса), имена путевых точек. Алфавитно-цифровое отображение информации в чистом виде использовалось на начальном этапе развития техники GPS.
Графический способ отображения осуществляется с помощью образуемых на экране рисунков, представляющих характер движения носителя (судна, автомобиля, человека). Графика в аппаратах различных фирм практически одинакова и различается, как правило, в деталях. Наиболее распространенными рисунками являются:
- электронный компас (не путать с магнитным!)
- графический указатель движения
- трасса движения, маршруты
- символы для путевых точек
- координаты судна
- направление на путевую точку
- скорость
Характеристики:
Точность определения координат места
Точность определения координат места является фундаментальным показателем любой навигационной системы, от значения которого будет зависеть, насколько правильно судно будет следовать по проложенному маршруту и не попадет ли оно на находящиеся поблизости мели или камни.
Точность приборов обычно оценивают по величине среднеквадратической погрешности (СКО) – интервалу, в который попадает 72 % измерений, или по максимальной ошибке, соответствующей 95 %. Большинство фирм-производителей оценивают СКО своих приемников GPS в 25 метров, что соответствует максимальной ошибке 50 метров.
Навигационные характеристики
Навигационные возможности приемников ГЛОНАСС/GPS характеризуют количеством запоминаемых прибором путевых точек, маршрутов и содержащихся в них маршрутных точек. Под путевыми понимаются используемые для навигации характерные точки на поверхности Современные могут создавать и хранить, в зависимости от модели, от 500 до 5000 путевых точек и 20–50 маршрутов с 20–30 точками в каждом.
Помимо путевых точек в любом приемнике есть запас точек для записи и сохранения пройденной трассы. Это количество может достигать от 1000 до нескольких десятков тысяч точек в профессиональных навигаторах. Записанная трасса может быть использована для возврата по ней назад.
Количество одновременно отслеживаемых спутников
Этот показатель характеризует устойчивость работы навигатора и его возможность обеспечения наивысшей точности. Учитывая тот факт, что для определения двух координат позиции – долготы и широты – нужно одновременно отслеживать 3 спутника, а для определения высоты – четырех. Современные ГЛОНАСС/ GPS навигаторы, даже носимые, имеют 8 или 12-канальные приемники, способные одновременно принимать и отслеживать сигналы соответственно до 8 или 12 спутников.
Спутниковые Навигационные Системы (Часть1)
1. Общие сведения о СНС
2. СНС ГЛОНАСС
3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO )
4. СНС КОМПАСС (KOMPASS )
1. Общие сведения о СНС
В данной статье будут рассмотрены основные характеристики и особенности трех спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GALILEO , KOMPASS ). Все три СНС используются для определения местоположения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования.
Все СНС имеют три сегмента: сегмент управления (наземные станции), космический сегмент (спутники) и потребительский сегмент (навигационные приемники).
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от навигационного приемника (координаты которого необходимо получить) до спутников , положение которых известно с высокой точностью . Навигационное сообщение содержит альманах (неоперативная информация) и эфемерис (оперативная информация). Информация о положении всех спутников содержится в альманахе. Альманахом должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений . Эфемерис содержит информацию о соответствующем спутнике. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Есть три режима работы приемника: “горячий старт” (актуальность альманаха и эфемериса), “теплый” старт (актуальность альманаха) и “холодный” старт (первоначальное включение навигационного приемника или включение). Зная расстояния до нескольких спутников системы и на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве. Это осуществляется с помощью системы уравнений псевдодальности.
Метод измерения расстояния от спутника навигационного приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн (скорость берется равной скорости света). Метод заключается в том, что каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные бортовые часы . После принятия этого сигнала навигационный приемник синхронизирует свои часы с системными часами. При следующем приеме сигналов вычисляется задержка между моментом передачи, информация о котором содержится в сигнале, и моментом приёма сигнала. Располагая этой информацией определяется дальность в пределах кольца дальности. В связи с тем, что в любой момент времени видимы несколько спутников, спутник с наименьшей задержкой будет находиться в первом кольце дальности, а остальные спутники будут располагаться относительно первого. После определения дальности до всех спутников, выбора оптимального созвездия (близкое к тетраэдру) и решения системы уравнений, навигационный приёмник вычисляет координаты приемника. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, за которое спутник переместился из одной с известными координатами до другой.
В реальности на точность работы системы оказывают влияние следующие факторы:
1) Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Эта проблема решается путем приема сигналов от нескольких спутников. Для определения местоположения на плоскости необходим прием сигналов от не менее чем от трех спутников, а для определения местоположения в пространстве необходим прием сигналов от не менее чем от четырех спутников
2) Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников. Эта проблема решается путем введения поправок в модель орбит;
3) Неоднородность атмосферы Земли , из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;
4) Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
5) Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.
2. СНС ГЛОНАСС
СНС ГЛОНАСС – отечественная спутниковая система навигации. Началом считается запуск 4 октября 1957 года первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ).
СНС ГЛОНАСС была полностью развернута в 1995 году и включала в свой состав 24 спутника. Однако, к 2001 году число функционирующих спутников сократилось до 6. В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 - ПЗ-90.02. Затем в 2004 году были запущенны новые спутники ГЛОНАСС-М, которые транслировали два гражданских сигнала на частотах L1 и L2. Далее в 2007 году была проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, в результате чего увеличилась точность определения координат. Во 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления установили новую измерительную систему с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличилась точность расчёта эфемерид и ухода бортовых часов, что привело к повышению точности навигационных определений. 2 сентября 2010 года общее количество спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 - группировка была полностью развёрнута для полного покрытия Земли. В результате программы модернизации системы наземного комплекса управления 2011 стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2.5 раза, что составляет порядка 2.8 м для гражданских потребителей. В феврале 2011 года был запущен первый спутник ГЛОНАСС-К , в котором были использованы дополнительные сигналы в формате CDMA , а так же начал осваиваться диапазон L 3.
Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19400 кмс наклонением 64.8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах). Спутниковая группировка развёрнута в трёх орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316-500 Вт (25-27 дБ). Тип эфемерид – геоцентрические координаты и их производные.
Рис 1 Орбитальные плоскости СНС ГЛОНАСС
В СНС ГЛОНАСС изначально использовались диапазоны L 1 и L 2. В данных диапазонах используется частотное разделение каналов с прямым расширением спектра путем умножения на одну и ту же псевдослучайную последовательность, вид модуляции BPSK , число каналов 12 (число каналов меньше 24 из-за того что в любой момент времени в зоне видимости находятся только несколько спутников). Планируется в будущем в этих диапазонах использовать кодовое разделение каналов (несущие частоты точно еще не известны).
L 1: f = f 0 + kf д1 , f 0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц;
L 2: f = f 0 + kf д1 , f 0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц
Рис.2 Распределение частотных каналов
Рис. 3 Несущие частоты каналов
Навигационное сообщение СНС ГЛОНАСС включает в себя строки, кадры и суперкадры. В пределах сроки передается системная метка времени. Длительность строки 2 с. В кадре передается полный объем эфемериса и часть альманаха. Кадр состоит из 15 строк и имеет длительность 30 с. Суперкадр состоит из 5 кадров и имеет длительность 150 с. В суперкадре передается весь альманах.
В диапозоне L 3 используются кодовое разделение каналов (CDMA ). Несущая частота 1202.025 МГц. Вид модуляции QPSK .
Рис. 4 Распределение каналов
Суперкадр (длительностью 2 минут) состоит из 8 кадров (для 24 спутников ГЛОНАСС на первом этапе развития). В будущем планируется суперкадр из 10 кадров и будет иметь продолжительность 2,5 минуты для 30 спутников. Каждый кадр (ддлительностью 15 секунд) состоит из 5 строк (длительностью 3 секунд). Каждый кадр имеет полный набор эфемерид для текущего спутника и часть системы альманаха для трех спутников. Полный альманах передается в одном суперкадре. Маркер времени находится в начале строки, и задается числом строки в текущий день по бортовой шкале времени шкале времени.
Рис.5 Структурная схема формирователя сигналов СНС ГЛОНАСС L1/ L 2 диапазона
Во всех трех диапазонах ГЛОНАСС используется два вида дальномерных сигналов: стандартной точности и повышенной точности.
Параметры сигналов диапазонов L 1 и L 2:
1) Дальномерные сигналы стандартной точности имеют следующие параметры: длина кода 511, период повторения 1 мс, полоса сигнала 0.5 МГц ;
2)Дальномерные сигналы повышенной точности имеют следующие параметры: длина кода 511000, период повторения 1 с, полоса сигнала 1 МГц .
Параметры сигнала стандартной точности диапазона L 3:
1) Псевдослучайный дальномерный код - усеченная последовательность Касами (в диапазонах L1 и L2 - М-последовательность);
2) Тактовая частота псевдослучайного дальномерного кода: 10,23 МГц (в диапазонах L1 и L2 - 0,511 МГц);
3) Длительность псевдослучайного дальномерного кода осталась той же: 1 мс, однако дальномерный код дополнительно модулируется 10-символьным кодом Хэмминга (его вид: "0000110101"). Длительность каждого символа кода Хэмминга: 1мс;
4) Сигналы разных спутников будут разделяться с помощью технологии CDMA (в диапазоных L1 и L2 используется частотное разделение FDMA);
5) Цифровая информация, передающаяся в составе излучаемого сигнала, кодируется с помощью сверточного кодера;
6) Изменена длительность строк, кадров и суперкадров навигационной информации.Дальномерные сигналы повышенной точности используются авторизованными пользователями (например, ВС РФ). Эти сигналы передаются вместе с сигналами стандартной точности, но их параметры засекречены.
Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 метров.
Для повышения точности системы ГЛОНАСС используются система дифпоправок и мониторинга за рубежом . Первая зарубежная станция была построена и успешно функционирует в Антарктиде на станции «Беллинсгаузен ». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России, одну станцию в Антарктиде и одну в Бразилии .
3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO )
СНС ГАЛИЛЕО - совместный проект спутниковой системы навигации Евросоюза и Е вропейского космического агенства . Так же в проекте участвуют Китай , Израиль , Южная Корея , Аргентина , Австралия , Б разилия , Чили , Индия , Малайзия .
Спутники «Галилео» находятся на орбите высотой 23 222 км, период обращения 14 ч 4 мин и 42 с. Спутники расположены в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечивает одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. Тип эфемерид – модифицированные кеплеровы элементы.
Рис. 6 Орбитальные плоскости СНС ГАЛИЛЕО
Данный проект состоял из четырех этапов:
1) 28 декабря 2005 года бал выведен на орбиту первый спутник GIOVE - A , задача которого состояла в тестировании дальномерных сигналов в нескольких диапазонах;
2) 27 апреля 2008 года был запущен спутник GIOVE - B , задача которого состояла в тестировании аппаратуры. В нем использовался водородный эталон времени. Он передавал несколько модификаций дальномерных сигналов в диапазоне L 1;
3) Запуск первой группы спутников из четырех спутников (по два спутника в октябре 2011 года и в октябре 2012) GALILEO IOV ;
4) К 2018 году планируется формирование полной орбитальной группировки из 30 спутников
Частотные планы
В системе используется кодовое разделение каналов (CDMA ) и передача в нескольких частотных диапазонах:
1) Диапазон L 5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1176.45 МГц );
2) Диапазон E 5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1207.14 МГц );
3 ) Диапазон E 6 используется для передачи коммерческого сигнала (f 0 = 1278.75 МГц );
4) Диапазон L 1 используется для передачи гражданского сигнала (f 0 = 1575.42 МГц );
В диапазоне L 1 передаются три сигнала: сигнал повышенной точности (параметры сигнала засекречены), сигнал стандартной точности и пилот-сигнал.
Параметры сигнала стандартной точности: длина кода 1023, длительность 4092 мкс, полоса сигнала 1 МГц.
Параметры сигнала повышенной точности: длина кода 2046, длительность 8184 мкс, полоса сигнала 2 МГц.
Точность определения местоположения составляет 5 м для сигналов стандартной точности
4. СНС КОМПАСС (KOMPASS )
СНС КОМПАСС (KOMPASS ) – китайская спутниковая система навигации. Первоначальное название Бйдоу (BeiDou ).
Данный проект состоял из трех этапов:
1) 2000-2003: Экспериментальная система Бэйдоу из трёх спутников;
2) к 2012 году: Региональная система для покрытия территории Китая и прилегающих территорий;
3) к 2020 году: Глобальная навигационная система («Бэйдоу-2») , которая будет состоять из 5 спутников на геостационарной орбите, 27 на орбитах средней высоты (21500 км над Землей) и три спутника на высоте 38300 км в наклонных орбитальных плоскостях на 55° к экватору Земли (один из трех спутников всегда находится над территорией Китая) .
Рис. 7 Орбитальные плоскости СНС КОМПАСС
Первый спутник, «Бэйдоу-1А», был запущен 30 октября 2000 года. Второй, «Бэйдоу-1B», - 20 декабря 2000. Третий спутник, «Бэйдоу-1C», отправлен на орбиту 25 мая 2003 как подстраховочный. С этого момента система считается введенной в эксплуатацию. 27 февраля 2007 года был также запущен четвёртый спутник в рамках «Бэйдоу-1», называемый иногда «Бэйдоу-D», а иногда - «Бэйдоу-2А». Он выполняет функции подстраховки. В апреле 2007 успешно выведен на орбиту первый спутник группировки «Бэйдоу-2», названый «Компас-M1». Данный спутник является настроечным для частот Бэйдоу-2. Второй спутник, «Компас-G2», запущен 15 апреля 2009. Третий («Компас-G1») запущен на орбиту 17 января 2010. Четвёртый спутник запущен 2 июня 2010. 24 февраля 2011 было развернуто 6 действующих спутников. 4 спутника видны в Москве : COMPASS-G3, COMPASS-IGSO1, COMPASS-IGSO2 и COMPASS-M1. 27 декабря 2011 года «Бэйдоу» была запущена в тестовом режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов. 27 декабря 2012 система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников. 8 мая 2014 система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что её точность составляет менее 1 метра.
Параметры сигнала стандартной точности: длинна кода 2046, длительность 1 мс, полоса сигнала 2 МГц.
Параметры сигнала повышенной точности: длинна кода 10230, длительность 1 мс, полоса сигнала 10 МГц.
В системе используется кодовое разделение каналов и передача в трех диапазонах:
1) Диапазон E 2 используется для передачи сигналов стандартной точности (f 0 = 1561.098 МГц );
2) Диапазон E 5 используется для передачи сигналов стандартной точности (f 0 = 1207.14 МГц );
3) Диапазон E 6 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1268.58 МГц ).
Навигационное сообщение NAV D1 (стандартной точности) передается в виде суперкадров длительностью 12 мин. Каждый суперкадр состоит из 24 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров длительностью 6 с. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадры с 1 по 3 используются для передачи эфемериса, подкадры 4 и 5 используются для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.
Навигационное сообщение NAV D2 (повышенной точности) передается в виде суперкадров длительностью 6 мин. Каждый суперкадр состоит из 120 кадров длительностью 3 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадр 1 используется для передачи эфемериса, а подкадр 5 используется для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.
Навигационное сообщения основном включает в себя: эфемериды спутника, сдвиг бортовой шкалы времени; параметры модели ионосферных задержек; информация о работоспособности спутника; доплеровский сдвиг, информация о созвездии и так далее
Литература:
1) Бакке А.В. Курс лекций по ССПО;
На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.
Первые предпосылки
Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.
Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.
На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.
В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.
GPS vs. ГЛОНАСС
В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.
В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.
Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.
Принцип работы GPS
Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).
Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.
Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.
Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.
Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.
Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.
Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.
Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.
Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.
Будущее спутниковой навигации
Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.
Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.
Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.
1.4.1 Структура спутниковых радионавигационных систем
Спутниковая радионавигационная система – специальный комплекс космических и наземных средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга актуальных задач, связанных, прежде всего с оперативным и точным определением местоположения относительно Земного сфероида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геологоразведочных, экологических и других задач.
Принцип работы глобальных навигационных спутниковых систем основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью.
Высокие эксплуатационные характеристики ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR достигаются путем совместного функционирования 3-х основных сегментов: космического, сегмента управления, сегмента потребителя.
Структура спутниковых радионавигационных систем строится таким образом, чтобы для большинства потребителей постоянно были видны более 6-и спутников (минимум 4). Функциональное назначение космических аппаратов или спутников – это формирование и излучение сигналов необходимых для решения потребителями задачи позиционирования и контроля местоположения самого спутника.
Излучаемые спутниками сигналы содержат дальномерную и служебную составляющую. Дальномерная используется потребителями для определения навигационных параметров (дальность до спутника, вектор скорости потребителя и его пространственную ориентацию). Служебная составляющая содержит данные о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей спутников, шкале времени, векторах скоростей спутников и т.д. (для базовых станций).
Основное предназначение ГЛОНАСС – глобальная и оперативная навигация наземных, морских, воздушных и низкоорбитальных космических объектов. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижной объект, оснащенный приемной навигационной аппаратурой, может в любом месте приземного пространства и в любой момент времени определить параметры своего движения – три координаты и три составляющие вектора скорости. Система разработана по заказу и находится в ведомстве Министерства Обороны РФ (Космические войска) и имеет статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство обороны РФ и Федеральное космическое агентство.
Спутники системы (не менее 21 рабочего и 3 запасных) равномерно располагаются в трех орбитальных плоскостях (рисунок 2). Радиус круговых орбит – 25510 км, что соответствует периоду обращения 11 ч 15 мин 44 с. Каждый спутник системы ГЛОНАСС передает непрерывные навигационные сигналы на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2 (1.6 и 1.25 ГГц).
Рисунок 2. Созвездия спутников ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR
Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора наземного комплекса управления системы .
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления, который предназначен для контроля правильности функционирования, непрерывного уточнения параметров орбит, управления и информационного обеспечения всех космических аппаратов системы и состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов (рисунок 3):
Центр управления системой (г. Краснознаменск, Московская область);
Центральный синхронизатор;
Сеть контрольных станций, рассредоточенных по всей территории России;
Система контроля фаз;
Кванто-оптические станции;
Аппаратура контроля навигационного поля.
Рисунок 3. Наземный комплекс управления ГЛОНАСС
Центральный синхронизатор формирует шкалу времени системы и опорные сигналы для беззапросных измерительных станций. Кванто-оптические станции предназначены для переодической калибровки радиотехнических каналов измерения дальности. Система контроля фаз обеспечивает измерение фазового и частотного сдвига сигналов спутника относительно эталона центрального синхронизатора.
GPS Navstar - это спутниковая система радионавигации и передачи точного времени. Основные сегменты GPS: орбитальная спутниковая группировка, система мониторинга и контроля, подразделение пользовательского оборудования. В качестве универсальной системы позиционирования GPS предоставляет уникальные сервисы, не предоставляемые в настоящее времени ни одной другой системой – это сверхточное трехмерное определение координат, измерение скорости и определение точного времени; всепогодность; работа в режиме реального времени; устойчивость к факторам окружающей среды.
GPS Navstar является итогом совместной работы Военно-Воздушных сил США, Центра ракетных вооружений, Воено-Космических сил, Лос-Анжелесской базы ВВС. Эти ведомства несут ответственность за развитие и разработку спутникового оборудования, наземных систем и пользовательского оборудования военного предназначения .
NAVSTAR формально состоит из спутниковой группировки в количестве 27-и спутников, расположенных на почти круговых орбитах с большой полуосью 26560 км, обеспечивающих радио-позиционирование и передачу сигналов точного времени как для военных целей, так и для гражданских потребителей услуг всего мира. Спутники размещаются в шести орбитальных плоскостях с наклонением 55º (рисунок 2). Спутники передают непрерывный навигационный сигнал в двух L-диапазонах (L1 – 1.5 и L2 – 1.2 ГГц) . Система является точным хранителем времени.
Контрольным сегментом являются станции управления и контроля. Их главными функциями являются:
Отслеживание орбит спутников;
Отслеживание и поддержка рабочего состояния спутников;
Формирование системного времени GPS Time;
Расчет эфемерид спутников и параметров часов;
Осуществление коррекции спутников на орбитах по мере необходимости.
Сигналы спутников системы GPS непрерывно отслеживаются со станций слежения, широко распределенных на земном шаре (рисунок 5). Оборудование станций слежения состоит преимущественно из GPS приемников с цезиевидыми стандартами частоты, метрологических инструментов и оборудования для передачи измерений через наземные и спутниковые линии связи на Главную станцию управления, которая находится на военно-воздушной базе Шривер, около города Колорадо Спрингс. Данные со станции слежения используются для определения и прогнозирования орбит спутников и поправок их часов.
Рисунок 5. Расположение станций контрольного сегмента GPS
Для точного позиционирования в геодезии используются приемники, работающие на несущей частоте (фазовые или геодезические приемники). Фазовые приемники бывают одночастотными и двухчастотными. Двухчастотные приемники позволяют определить координаты с более высокой точностью, так как позволяют учитывать влияние ионосферной рефракции.
Геодезические приемники работают в 2 основных режимах определения координат точек: статистическом и кинематическом. Наиболее точным является статический режим. В геодезической практике его используют для создания съемочного обоснования .
Кинематический режим менее точен, но он более продуктивен для быстрого определения пространственных координат пикетов. Режим кинематики реализуется следующим образом. На пункте с известными координатами устанавливается приемник, а второй приемник перемещается по пикетам. Оба приемника должны одновременно отслеживать одни и те же созвездия спутников.
