Спутниковые навигационные приемники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спутниковые навигационные приемники

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; спутник навигация дальнометрия

- 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.

Организационная структура СНС «ГЛОНАСС» и GPS

Организация работы 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. 1

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. 2

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.

Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 гр и двух двигателей коррекции с тягой 500гр.

Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника.

Регулирование тепла, отводимого от гермоконтейнера, осуществляется жалюзи, которые открывают или закрывают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа. Отвод тепла от приборов осуществляется циркулирующим газом с помощью вентилятора.

Система электроснабжения включает в себя солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей - 1600 Вт, площадь 17,5 м².

При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей. Их разрядная емкость составляет 70 ампер/часов.

Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.

Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:

- излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;

- прием, хранение и передача цифровой навигационной информации;

- формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;

- ретрансляция или улучшение сигналов для проведения траекторных измерений доя контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;

- прием и обработка разовых команд;

- прием, заполнение и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите;

- формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;

- прием и выполнение кодов команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;

- форматирование и передача «признака неисправности» при выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.

Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м. Общая масса составляет 1415 кг.

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

Схема выведения включает

- выведение космической головной части на промежуточную круговую орбиту с высотой ~200 км;

- переход на эллиптическую орбиту с перигеем ~200 км апогеем ~19100 км и наклонением 64,8⁰;

Точность приведения в рабочую точку орбиты

- по периоду обращения - 0.5 с

- по аргументу широты - 1 град

- по эксцентриситету - ~ 0,01

- по наклонению орбиты - ~ 0,3 град.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту КА используются цезиевые стандарты частоты (атомные часы - 4 комплекта) с относительной нестабильностью порядка 10^-13.

Спутники ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов:

- навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L₁ (1,6 ГГц);

- навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазоне L₁ и L₂ (1,2 ГГц).

Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения

- горизонтальных координат с точностью 50 -70 м (вероятность 99,7%);

- вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

- составляющих вектора скорости с точностью 15 м/с (вероятность 99,7%);

- точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7%).

Сигнал ВТ предназначен для потребителей Министерства Обороны Российской Федерации.

Каждый спутник ГЛОНАСС работает на своей выбранной частоте 1598,0625 - 1604,25 ГГц.

Рис. 3

Космический сегмент GPS

Он состоит из 26 спутников, (21 рабочий и 5 резервных, находящихся в горячем режиме) расположенных на круговых средних орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол 55⁰ к плоскости экватора, они равномерно расположены на 6 орбитах и сдвинуты между собой на 60⁰по долготе. Радиусы орбит составляют около 26 тыс. км, а период обращения составляет 11ч.45,8 мин.

Спутники GPS имеют тот же самый комплект оборудования и исполняют те же самые функции, что и спутники ГЛОНАСС. За исключением того, что передающая аппаратура всех спутников излучает навигационные сигналы только на двух частотах L₁ = 1575,42 МГц и L₂ = 1227,6 МГц, но каждый спутник имеет свой отличительный код.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах.

Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (процедура называется фазовой модуляцией). Причем частота L₁ модулируется двумя видами кодов С/А - кодом (код свободного доступа и Р - кодом (код санкционированного доступа), а частота L₂ только Р - кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей

- обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника потребителя;

- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);

- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

Рис. 4

Код свободного доступа С/А (Coarse Acqvisition) имеет частоту следования импульсов 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек, поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код Р (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках.

Поскольку Р - код передается на двух частотах (L₁ и L₂), а C/R-код на одной (L₁), в GPS - приемниках, работающих по Р - коду частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по Р - коду на порядок выше, чем по С/А-коду.

На борту каждого КА системы GPS так же как и на КА ГЛОНАСС имеется 4 стандарта частоты (4 комплекта «атомных» часов) - два цезиевых и два рубидиевых для целей резервирования.

Точность хода таких «атомных» часов составляет около одной наносекунды 10^-2.

«Атомные» часы в системах ГЛОНАСС и GPS не используют атомную энергию. Они получили это название потому, что используют для измерения времени обращение электронов по орбите атома известного чистого вещества, как метроном.

Корректируются эти часы наземными станциями слежения.

Наземный комплекс управления системы ГЛОНАСС

Управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления (НКУ). Он включает в себя Центр управления системой (ЦУС) (г. Голицино-2, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по всей территории России.

Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации о всех спутниках системы и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации. Траекторная информация калибрируется с помощью лазерных дальномеров (кванто-оптических станций) из состава НКУ. Для этого спутники ГЛОНАСС оснащены лазерными отражателями.

Для правильного функционирования системы очень важна синхронизация всех процессов. Поэтому в составе НКУ предусмотрен Центральный синхронизатор (ЦС), который представляет собой высокочастотный водородный стандарт времени/частоты. ЦС синхронизирован с национальным эталоном времени/частоты UTC.

Рис. 5

Кроме этого, сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

- эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

- мониторинг радионавигационного поля;

- радиотелеметрический мониторинг НКА;

- командное и программное радиоуправление КА.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определенный 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 производится в баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Наземный комплекс управления системы GPS состоит из главной станции управления (авиабазы Фалькок в штате Колорадо), пяти станций слежения, расположенных на территории американских военных баз, расположенных на Гавайских островах, острове Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс, а также трех станций закладок: острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн.

Рис. 6

Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Рис.12.8

Сегмент пользователей

Сегмент пользователей составляют приемники GPS и ГЛОНАСС и сообщество пользователей системы. Приемники преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.

Основная задача GPS - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.

В аппаратуре потребителя (GPS - приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности С/А либо С/А и Р, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:

· по С/А-коду (одночастотный кодовый приемник),

· по Р-коду (двухчастотный кодовый приемник),

· по С/А-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник),

· по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).

Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.

Более точное позиционирование возможно при использовании базового приемника, осуществляющего коррекцию данных позиционирования удаленных приемников. Другим вариантом использования системы является обеспечение точного отсчета времени. В научно-исследовательских работах сигналы GPS используются для измерения атмосферных параметров.

Спецификация GPS Positioning Services в Федеральном плане радионавигации США. Система точного позиционирования. Precise Positioning System (PPS)

Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы

· горизонталь 22 метра,

· вертикаль 27,7 метров,

· время 100 наносекунд.

Система стандартного позиционирования. Standard Positioning System (SPS)

Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников GPS может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений

· горизонталь 100 метров,

· вертикаль 156 метров,

· время 340 наносекунд.

Изготовитель приемника может использовать другие меры точности. Среднеквадратичная (Root mean square - RMS) ошибка - значение одного среднеквадратического отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка (Circular Error Probable - CEP) - значение радиуса круга, центрированного при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения. Вероятная сферическая ошибка (Spherical Error Probable - SEP) - сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2drms, drms или RMS; CEP и SEP не подтверждены воздействию больших грубых ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность указывается в RMS или CEP без учета SA, делая эти приемники «более точными» чем те, в которых используются более консервативные меры ошибки.

Приемник GPS/»ГЛОНАСС»

Надо отметить, что приемники GPS и «ГЛОНАСС» существенно различаются по технической реализации. Первые используют более широкую полосу частот, чем GPS-устройства. В системе GPS применяется кодовое разделение каналов, благодаря чему все спутники излучают С/А-коды на общей несущей частоте 1575,42 МГц (L₁). Частотное разделение каналов в «ГЛОНАСС» обуславливает излучение сигналов на разных несущих в диапазоне 1598,0625 - 1615,5 МГц (L₁). Отсюда - в этих системах задействуются разные аппаратура формирования и алгоритмы обработки фазовых измерений.

Принцип действия комбинированного GPS/»ГЛОНАСС» - приемника поясним на примере АСН - 22, разработанного Российским институтом радионавигации и времени (Санкт-Петербург) совместно с компанией DASA NFS (Германия). Он состоит из антенны с малошумящим усилителем (МШУ), ВЧ-блока, устройства обработки сигналов и общего навигационного процессора (рис. 3). Приемник может работать в трех режимах, выбираемых по внешней команде: только GPS, только «ГЛОНАСС» и /»ГЛОНАСС».

Рис. 7 Структурная схема GPS/»ГЛОНАСС»-приемника

На входе устройства установлен фильтр зеркального канала, который распределяет сигнал по двум каналам для отдельных ВЧ-приемников GPS и «ГЛОНАСС». С выхода АЦП навигационные сигналы поступают на два коррелятора, 12-канальный GPS(напрямую) и 6-канальный «ГЛОНАСС» (через блок переключения каналов), которые работают с общей синхронизацией. Многоканальный приемник АСН-22 позволяет отслеживать С/А-код и фазу несущей L₁ по всем каналам GPS и «ГЛОНАСС».

На основании измерений и принятых сообщений навигационный процессор вычисляет координаты, вектор скорости и точное время, обеспечивающее «привязку» шкалы времени потребителя к шкале ГОСЭТАЛОНА координированного всемирного времени UTC (SU). Время первоначального определения зависит от числа каналов приемника и производительности навигационного процессора. Для АСН-22 оно составляет менее 90 с (при достоверных начальных данных). Последующие координатно-временные определения выполняются с заданной периодичностью - обычно через 1 с и более. Восстановление слежения осуществляется за 3-5 с.

Результаты вычислений могут выводиться вместе с электронной картой на встроенный дисплей, на экран портативного ПК или передаваться в диспетчерский пункт по радиоканалам спутниковых и наземных систем связи для отслеживания местонахождения подвижного объекта.

Основные принципы функционирования спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

В основе СНС заложен принцип измерения расстояний до спутников. Это значит, что для определения местоположения ВС на земной поверхности нужно измерить расстояние до каждого из группы спутников. Таким образом, спутники являются для нас точно известными опорными точками в пространстве. Это достигнуто тем, что орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS рассчитаны с очень высокой степенью точности и поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Измерение дальности до спутников происходит по аналогии с маяками для моряков, дальномерами ДМЕ - для летчиков, триангуляционными пунктами - для геодезистов. Если мы имеем точно известные координаты наземных радиодальномеров А и В, то отложив на карте две дальности Д₁ и Д₂ от этих известных точек, можно достаточно точно запеленговать место воздушного судна.

Рис. 8

Принцип основан на том, что радиопередатчик спутников ГЛОНАСС и GPS непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS/ГЛОНАСС - приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников.

При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС и GPS, приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляет дальность «спутник-приемник». Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так для определения местоположения точки нужно знать координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту Н), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ.

Рис. 9

Одновременно с проведением измерений расстояний в приемнике GPS/ГЛОНАСС выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

Очевидно, что при данном методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные «атомные» часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (10^-13). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому «системному времени». Эталон времени GPS/ГЛОНАСС - приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или «псевдодальность», а измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину времени несоответствия можно считать постоянной.

С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X, Y и Н, но и поправки часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех спутников, а до четырех. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y, H) и точное время

Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта относительно земной поверхности (путевая скорость). Таким образом, для выполнения необходимых расчетов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум четырех спутников.

Современные GPS/ГЛОНАСС приемники имеют от 5 до 12 каналов приема сигналов от спутников. Прием сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяет повысить точность определения координат и обеспечить решения навигационных задач.

Для полного понимания, как функционируют спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, рассмотрим геометрическую интерпретацию на плоскости этот принцип. Этот принцип может быть объяснен следующим образом:

Предположим, что нам не известно наше местоположение, но мы хотим установить его и известно расстояние от одного спутника , то мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг его.

Рис. 10

Для примера, известная точная дальность до спутника пусть будет 20000 км, то в пространстве существует геометрическое место точек, а именно шар, т.е. поверхность, на которой мы можем находиться в данный момент от спутника.

Очевидно, что одно измерение ставит нас на одну из множества точек где-то на поверхности воображаемой сферы радиусом в 20000 км, в центре которой находится спутник.

Если в тот же момент времени мы знаем, что расстояние до второго спутника равно 21000 км, то геометрическое место точек нашего возможного местоположения в мировом пространстве сужается, т.к. место точек, где мы можем находиться одновременно на удалении 20000 км от одного спутника и 21000 км от другого, является окружность, образованная пересечением двух сфер с заданными радиусами.

Рис. 11

То есть, принимая одновременно сигнал от двух спутников, мы можем утверждать что находимся где-то на линии окружности, образованной в результате пересечения двух сфер. Но двух спутников недостаточно для точного определения своего местоположения, т.к. область окружности определенной от этих спутников может достигать сотни, а то и тысячи километров.

Для того чтобы вычислить точно координаты определяемой точки, нам необходимо знать расстояние до третьего спутника - 22000 км.

В результате пересечения третьей сферы от спутника радиусом 22000 км с образованной теперь окружностью от двух спутников мы получаем позицию с двумя возможными точками А и В, где мы могли бы находиться в мировом пространстве.

Рис. 12

Для того, чтобы определить свое точное местонахождение алгоритм нашего приемника методом логического исключения определяет, какая из двух точек А и В является истинной позицией приемника, т.е. исключает одну невозможную точку. Эта невероятная точка определяется в первую очередь высотой земной точки над поверхностью земного шара. Она будет находиться либо далеко в космическом пространстве, либо глубоко над Землей. Истинная же точка будет находиться в околоземном пространстве или на поверхности Земли, что и делает ее определяющей точное местоположение приемника.

Другим фактором, который выявляет ложную точку, является скорость перемещения точки. В истинной точке скорость всегда будет приблизительно одинаковой в достаточно короткие промежутки времени обработки приемником информации со спутников, в другой же точке - ложной, скорость будет иметь слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности.

И по двум признакам - высота и скорость компьютер нашего приемника, который имеет специальную программу, исключит ложную точку.

Вычисления местоположения потребителя от трех спутников произойдет в двухмерном пространстве (т.е. ц и л) и только в идеальных условиях, но из-за

ошибки в измерении времени может возникнуть ошибка в определении четвертого спутника.

Рис. 13

Сфера от четвертого спутника пройдет через истинную точку, исключит ошибки в измерении времени и определит высоту над геоидом.

Таким образом, для получения точной информации для наземных и воздушных измерений необходимы данные от четырех спутников.

Следует отметить, что в памяти приемников GPS/ГЛОНАСС находится не просто примитивная модель сферической поверхности Земли, а достаточно точная модель геоида по небольшим региональным участкам. Что позволяет снизить ошибки вычислений до минимума и указать высоту полета над поверхностью эференц-эллипсоида, т.е. указывать приблизительную абсолютную высоту.

Рис.14

Спутниковая дальнометрия и точная временная привязка

Расстояние до спутника определяется по измеренному времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника, умноженного на скорость света (300000 км/сек).

Для определения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника использован метод сравнения «псевдослучайных кодов», генерируемых в аппаратуре спутника и приемника в точно совпадающее время (временная синхронизация).

Метод определения прохождения радиосигнала от спутника до приемника потребителя основан на том, что аппаратура передатчика и приемника за счет «атомных часов» синхронизирована с очень высокой точностью (10^-13). Они работают в единой системе времени и всегда одновременно генерируют одинаковый «псевдослучайный код» в точно совпадающее время.

Приемник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет, когда он генерировал тот же код. Полученная разница (Дt) умноженная на скорость распространения радиоволн даст искомое расстояние.

Рис. 15

Эти коды настолько сложны, что выглядят внешне как длинные цепочки случайных импульсов, но на самом деле они имеют строгий порядок и повторяются каждую микросекунду, т.е. через каждые 10^-6 сек.

Преимущество в использовании серии кодов, следующих практически непрерывно. Позволяет приемнику определять временную задержку (Дt), а значит и расстояние в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте (система GPS), так как каждый спутник идентифицируется по своему псевдослучайному коду.

Для высокоточного определения местоположения необходимо, чтобы точность синхронизации часов на спутнике и в аппаратуре приемника соответствовала потребной точности измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Для этого на спутниках установлено четыре комплекта «атомных часов» (один комплект в работе, три в резерве), точность хода которых около одной наносекунды 10^-13 сек.

Но часы приемников по сравнению с атомными часами несовершенны, поэтому появляется погрешность в определении времени Дt, которая вычисляется и устраняется специальным алгоритмом, заложенным в приемнике потребителя.

Рассмотрим, как работает этот алгоритм на плоскости.

Если часы на спутнике и в приемнике работают синхронно в единой системе времени и имеют одинаковую точность хода, равную нулю, то точность местоположения может быть найдена по измеренным расстояниям до двух спутников.

Рис. 16

Одна точка пересечения двух сфер будет на земной поверхности, другая высоко в космосе, которая автоматически устраняется компьютером приемника.

Если получены измерения от трех спутников и все часы синхронизированы, то круг, описанный радиус-вектором от третьего спутника, будет пересекаться в той же точке, где пересекались две сферы на земной поверхности.

Рис. 17

Рис. 18

Однако, если часы спутников и приемника не синхронизированы, т.е. Дt = 0 и часы спешат, например, на одну секунду, то линии положения будут отстоять от фактических линий, определяющих истинное местоположение на величину С * Дt (сдвиг) и образовывать некоторую область возможных положений приемника (область временных погрешностей).

Размеры этой области определяются величиной ошибки во времени между часами спутника и приемника потребителей (С * Дt).

Когда приемник потребителя получает серию измерений, которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приемнике после серий измерений начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итераций до тех пор, пока не сведет все измерения к одной точке (фактическое место).

Рис. 19

После этого вычисляется поправка во времени и делается соответствующее уравнение в компьютере приемника, т.е. приводит ошибку во времени Дt к нулю. Специальный алгоритм в приемнике позволяет мгновенно решить проблему ошибки часов, найти ее и обнулить.

Для вычисления погрешности в определении времени по часам приемника и местоположения приемника в пространстве в системе трех координат (трехмерное измерение) в дополнение к трем измерениям от спутников необходимо одновременное измерение расстояние до четырех спутников. В этом случае обеспечивается точное вычисление широты, долготы и высоты полета ВС над поверхностью эллипсоида, используемого в системе координат WGS-84, которая приближенно совпадает со средним уровнем моря, но только в тех местах, где геоид Земли совпадает с эллипсоидом вращения.

Рис. 20

Основные характеристики систем GPS и ГЛОНАСС

Характеристики	Глонасс	GPS
Количество спутников (проектное)	24	24
Количество орбитальных плоскостей	3	6
Количество спутников в каждой плоскости	8	4
Тип орбиты	Круговая (S = 0 + -0,01)	Круговая
Высота орбиты	19100 км	20200 км
Наклонение орбиты, град	64,8 + -0,3	55 (63)
Период обращения	11ч 15,7 мин.	11ч 56,9 мин.
Способ разделения сигналов	Частотный	Кодовый
Навигационные частоты, МГц:
L1	1602,56-1615,5	1575,42
L2	1256,44-1256,5	1227,6
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код)
		7 дней (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГЦ	0,511	1,023 9С/А-код) 10,23 (Р, Y-код)
Скорость передачи цифровой информации, бит/с	50	50
Длительность суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в суперкадре	5	25
Число строк в кадре	15	5
Погрешность* определения координат в режиме ограниченного доступа: горизонтальных, м. вертикальных, м	Не указана	18 (Р, Y-код) 28 (Р, Y-код)
Погрешность* определения проекций линейной скорости, см/с	15(СТ-код)	< 200(С/А-код) 20 (Р, Y-код)
Погрешность* определения времени в режиме свободного доступа, нс в режиме ограниченного доступа, нс	1000 (С/А-код) -	340 (С/А-код) 180 (Р, Y-код)
Система отсчета пространственных ПЗ-90 координат		WGS-84
Погрешности* в определении координат, скорости и времени для системы ГЛОНАСС-0,997, для GPS-0,95

Применение СPS

Навигационная система APOLLO 2001 GPS

Аппаратура APOLLO 2001 GPS является аппаратурой спутниковой навигации и предназначена для определения местоположения самолета в любой точке и в любое время при полете над любой местностью.

Аппаратура производит вычисления положения самолета (его координат) в трех измерениях: широта, долгота, высота по сигналам глобальной системы (GPS) NAVSTAR.

В состав комплекта аппаратуры APOLLO входит:

антена А - 33;

приемник - дисплей сигналов GPS;

радиочастотный кабель;

карточка NAV DATA с международной базой данных фирмы Jeppesen;

кроме APOLLO на борту устанавливается кодер типа SSD - 120, конвертер IA - RS232C.

Принцип действия системы заключается в высокоточном измерении дальности от прибора до каждого спутника, находящегося в зоне видимости антенны, из вращающихся вокруг Земли 24 спутников созвездия NAVSTAR.

Для высокоточного трехмерного местоопределения самолета с погрешностью не хуже 100 м необходим прием сигналов не менее, чем от четырех спутников с определенным их расположением друг относительно друга.

Антенна представляет собой всенаправленную микрополосковую конструкцию и предназначена для приема и усиления сигналов от спутников на частоте 1575 Мгц.

Приемник - дисплей обеспечивает возможность одновременного приема сигналов до 8 спутников и включает приемник, навигационный процессор и трехстрочный дисплей на 16 знаков в каждой строке.

На передней панели приемника имеется паз ввода карточки NAV DATA.

Питание всей аппаратуры APOLLO осуществляется от бортовой сети постоянного тока 27 В. Включение аппаратуры APOLLO осуществляется нажатием на кнопку выключателя питания. Вся расчетная, служебная и вспомогательная информация индицируется на трехстрочном экране приемника - дисплея.

Система APOLLO обеспечивает:

неприрывное, автоматическое определение МС относительно земной поверхности;

планирование маршрута полета, выхода, захода и подхода, сохранения в памяти до 10 заложенных маршрутов с возможностью оперативного изменения плана полета;

выполнение полета по ортодромии в любую заданную точку или в соответствии с задействованным планом полета;

цифровую индикацию навигационных параметров полета и положения самолета относительно линии заданного пути;

вычисление необходимых физических величин навигационных элементов полета;

просмотр развернутой информации о ППМ, содержащихся в карточке; информация о ближайших 20 выбранных точках от своего местоположения;

выдачу на экран в виде сообщений все критической информации, необходимой для обеспечения безопасности полета;

выполнение полета в режиме счисления пути при временном отсутствии информации от спутников.

Наличие карточки NAV DATA, данные которой обновляются 28 суток, позволяет иметь следующую информацию:

о ВПП военных игражданских аэропортов длиной полосы более 600 м;

идентификатор, город, страна, оборудование;

номер, длина, ширина, состояния покрытия ВПП, направление движения;

высота ВПП над уровнем моря и наличие маяков;

светотехническая система по крайней мере на одной полосе;

наличие топлива (марки100 LL);

частоты захода на посадку, связки с вышкой КДП, наземных радиотехнических средства ATIS, CTAF и UNICOM частоты (если их много- дается только одна). Связные частоты заданы в диапозоне от 118,0 до 136,975 Мгц;

широта и долгота;

о маяках VOR и NDB;

частота (диапазон для NDB 180 -713 Кгц, для VOR и СОМ - частот 108 - 117,95 Мгц) и код Морзе идентификатора;

о пересечениях и точках обязательного донесения;

названия и регион;

широта и долгота;

о минимально безопасных высотах;

сообщения о контролируемом пространстве и частотах;

ближайшая диспетчерск ая служба и частота (при наличии нескольких дается одна).

Бортовые спутниковые приемники GPS, рекомендованные к установке на Российские воздушные суда

KLN 90 -Ту-154, Ми-8 KLN 90А А2 Ан-24, Ан-26, Ми-8Т, Ил-86, Ил-62М, Ил-76, Ту-154М/Б/С (Bendix King) KLN 90В А1 Ил-18, Ил-62М, Ил-76, Ил-86, Ту-134, Ту-154М/Б/С, Як-40, Як-42, Ан-124, Ми-8Т/МТВ/АМТ KLN 900 А1 Ил-62М GarminGPS 155 A1 Ту-154М/Б/С, Ту-134, Ил-76/в стадии испытаний.

TNL 1000 -Ан-12, Ми-8Т

TNL 2000А-Ту-154Б, Ил-62М

TNL 2000Т А2 Ту-154М,Б, Ми-8МТВ-1

Trimble Navigation TNL 2000 Approach А1 Ил-62М, Ан-124, Ми-172, Ту-154М/Б

TNL 2000 Approach Plus А1 Ил-76/в стадии испытаний

TNL 2100 T А2 Ми-8АМТ, Ту-134 TNL 2100 input/outputА1 Ту-134

АБРИС - система глобальной навигации и посадки

Авиационная Бортовая Радиотехническая Интегрированная Система:

- пoдгoтoвкa и планирование попета;

- каpтoграфическое обеспечение на всех этaпах попета;

- обработка информации от сопрягаемых систем;

- выдача информации в сопрягаемые сиcтeмы;

- выполнение штyрманских расчeтoв как перед полетом, так и в полете.

Изделие АБРИС обеспечивает:

- пoдгoтoвку плана попета (программирование и хранение информации о промeжyтoчных пунктах маршрута, аэродромах, радиомаяках, возможность изучения местности по маршруту полета и др.);

- возможность в процессе полета оперативного изменения плана полeтa;

- непрерывное определение координат мecтoположения ЛА с помощью встроенного СНС (GPS/6LONASS) приемника, отображение положения ЛА на эпeктpoнной карте (в мacштaбе, удобном для oпepaтopa) с индикацией бокового уклонения от ЛЗП и другой необходимой информации;

- отображение электронных карт мecтности на цвeтном дисплее;

- хранение и возможность многократного обновления (перезагрузки) электронных карт, аэронавигационных и др. баз данных;

- отображение на дисплее аэронавигационной информации и плана полeтa, (в тoм числе на фоне электронной карты) необходимых для решения задач самолeтoвoждения на различных этапах попета;

- прием информации от от автономных барометрических датчиков высоты и необходимую обработку барометрической высоты для потребностей встроенного СНС (GPS/GLONASS) приемника;

- прием и обработку информации от сопрягаемых систем, а также выдачу информации в сопрягаемые системы;

- прием, выдачу и отображение информации для системы автоматического зависимого наблюдения (при ее наличии на борту);

- правление бортовой аппаратурой АЗН-В (при ее наличии), а также возможность управления другой сопрягаемой аппаратурой.

Авиационная бортовая система "АБРИС" установлена на следующих типах летательных аппаратов: Ми-8, Ан-2, Ил-76, Ка-32, Ан-124, Ту-134. других систем и т д.

АБРИС размещается на приборной панели кабины летательного аппарата. Электропитание изделия АБРИС осуществляется от АЗС бортовой системы электроснабжения постоянным напряжением +27В. После подачи питания происходит автоматическая подготовка АБРИС к работе, которая длится не более 120с (проводятся встроенные тесты и, в случае включения при низких температурах, происходит прогрев).

Управление изделием АБРИС осуществляется кнопками расположенными на базовом блоке (функциональное назначение кнопок меняется в зависимости от текущего режима работы системы) или с помощью дополнительной клавиатуры.

Система встроенного контроля изделия АБРИС позволяет определить неисправность с точностью до блока. Встроенный контроль изделия АБРИС проводится непрерывно, о результатах встроенного контроля можно узнать из режима "СИСТ" .

В изделии АБРИС имеется несколько режимов представления информации. В некоторых режимах может быть несколько подрежимов. Основные режимы:

"МЕНЮ", "НАВ", "ОБЗОР", "ПНП", из которых осуществляется переход к другим режимам. По включении отображается режим "МЕНЮ".

АБРИС - Технические характеристики

Масштабы отображаемых карт от 1:5 000 до 1:20000000

Объем загружаемой картографической информации 2 500 000 кв. км.

Интерфейс:

- вход, ARINC-429 4

- выход ARINC-429 4

- аналоговый вход 6

- аналоговый выход 4

- RS-232, RS-485 2

Напряжение электропитания +27В

Потребляемая мощность 85Вт

Наработка на отказ 7.500 ч

СНС приемник GPS/GLONASS (GNSS) 12 канальный с функцией RAIM

Размеры 220х292х170 мм

Масса 6,2 кг.

Список рекомендуемой литературы

1. Сосновский А.А., Хаймович И.А. Радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов. Справочник - М.: Транспорт, 1987г.

2. Эксплуатационная документация на аппаратуру. (Технические описания. Инструкции по эксплуатации).

3. KLN 90B GPS. Руководство по эксплуатации.

Приложение

Размещено на Allbest.ru