Реферат: Спутниковые системы местоопределения
Реферат
тема: «Спутниковые системыместоопределения»
ОглавлениеОглавление
1. Введение
2. Спутниковые системы радиоместоопределения.
2.1 Исторический экскурс
3. Система местоопределения, использующая специализированнуюспутниковую радионавигационную систему.
4. Система местоопределения, использующая геостационарныеспутники связи.
5. Глобальная навигационная спутниковая система
ГЛОНАСС-М.
6. Система Глобального Позиционирования (GPS)
5.1 GPS в деталях
7. Сравнение GPS и ГЛОНАСС
8. Последние новости GPS
8.1 Модернизация GPS — новые сигналы для гражданскихпользователей
8.2 Отмена селективного доступа
9. Приёмники GPS
9.1 Приёмники GPS индивидуального пользования
10. Новости ГЛОНАСС
10.1 Китай собирается сотрудничать с Россией в делеэксплуатации и развития системы ГЛОНАСС
11. Перспективы развития ГЛОНАСС
12. ГЛОССАРИй
ЛИТЕРАТУРА
/>/>1. ВведениеВ сферу телекоммуникаций в настоящее время инвестировано450 млрд. $ США. За фармацевтической и энергетической промышленностью связьзанимает третье место в мировой шкале инвестиций, опережая химию иавтомобилестроение. По оценкам братьев Салимон эти инвестиции возрастут до 2003г. больше чем на 50%, достигнув 685 млрд. $ США. Возможно, одним из наиболеевпечатляющих по своим масштабам итогов деятельности человечества в 20 столетиистало создание глобальных космических систем. В частности создание системрадиоместоопределения и телекоммуникации. Эти системы огромны как по своейстоимости реализации, так и по своими возможностям и масштабам. На созданиесистемы связи Iridium уже было затрачено около 7 млрд. $ США, а на созданиесистемы Globalstar 4 млрд. $. Однако они стали реальностью нашей жизни.Глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС были не только развернуты, но иопробованы в гражданском и боевом применении, функционирует целый ряд системспутниковой связи использующих, как геостационарные, так и низколетящиеспутники. Исторически развитие космических систем связи и навигации началосьпараллельно. Хотя в навигационных системах присутствовали служебные комплексысвязи, но они не являлись системами связи массового обслуживания и игралиобеспечивающую жизнедеятельность системы роль. В то же время на системыкосмической связи в начале их развития не возлагались функции измерениякоординат, хотя они нуждались в баллистическом обеспечении и следовательно врешении задачи определения местоположения ретрансляторов. То есть решение задачместоопределения в системах связи носило характер обеспечения ихфункционирования. Однако довольно быстро стало ясно, что для решения задачиуправления и связи с подвижными объектами необходимо знание координат объектов.Возможности совмещения услуг местоопределения и связи нашло применение вобслуживании транспортных сухопутных перевозок, породив целое направление –телематику. Одновременно возможность измерения и передачи координат подвижныхобъектов давала возможность создания нового класса систем – систем глобальногоаварийного оповещения.
Современное поколение космических систем связи настолькотесно интегрирует в себя сервис координатометрии, что принципиально используетего в алгоритмах системы автоматизированного управления связью (АСУС) итарификации. Относительно требований к точности определения координат,существуют требования Международной Морской Организацией (ИМО) сформулированныев 1983 г. в Резолюции А.529(13), содержащей стандарты точности судовожденияудовлетворяющие нужды общей
навигации. При этом районыплавания для судов, следующих со скоростью до 30 узлов подразделяются на двеосновные зоны: открытое море и прибрежные районы и подходы к портам и портовыеводы в которых ограничена свобода маневрирования судов.
В первой зоне точность судовождения должна быть не хуже 4%от расстояния до ближайшей навигационной опасности, с максимумом в 4 мили принаибольшем допустимом интервале времени от момента последнего местоопределения.
Во второй зоне точность регламентируется принятой в 1995г.Резолюцией ИМО А.815(19) по Всемирной Радионавигационной Системе (ВРНС) и этаточность не должна быть хуже 10 м с вероятностью 95%.
Информация о местоположении судна должна обновляться синтервалом не более 10 с. Однако, если информация о местоположении суднаиспользуется для непосредственного управления судном, или в электронных картахсудовых электронных картографических систем, то в этих случаях обновлениеинформации должно осуществляться с интервалом не более 2 с. Поэтому сталиразвиваться системы сочетающие возможность определения координат подвижныхобъектов и организации связи между ними. Первыми такими системами стали системаOmniTracs и система Коспас-Сарсат действующие и в настоящее время. Перваяпредназначена для связи с подвижными объектами и определения их координат,вторая для аварийного оповещения. Поскольку в системах аварийного оповещениясвязная часть играет подчиненную роль, призванную обеспечить доставку сигнала икоординат места бедствия далее будем рассматривать системы связипредоставляющие возможности местоопределения.
С технической точки зрения созданные системырадиоместоопределения Глонасс и GPS являются уникальными научно-техническимикомплексами, обеспечивающими в настоящее время наибольшую точность глобальнойвременной и координатной привязки абонентов. Однако это стало возможнымблагодаря применению в бортовых радиотехнических комплексах ИСЗ наиболеепередовых достижений в области квантовых стандартов частоты и созданиюсоответствующих систем баллистического обеспечения. Применяемые в настоящеевремя в этих системах радиосигналы обеспечивают необходимый уровень предельнойточности проведения измерений координат.
/>/>2.Спутниковые системы радиоместоопределения.
Спутниковые системы радиоместоопределения — сравнительноновая, быстро развивающаяся ветвь навигации или отслеживания перемещенияподвижных объектов.
/>/>2.1 Исторический экскурсРазвитие отечественной спутниковой радионавигационнойсистемы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, началокоторой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. вСоветском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли(ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пунктенаблюдения с известными координатами позволили определить параметры движенияэтого спутника.
Эффект Допплера (по имени австрийского физика К.Допплера) состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний илидлины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний.
Обратная задача была очевидной: по измерениям того жедоплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пунктанаблюдения.
Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенноразвиты в процессе выполнения исследований по теме «Спутник»(1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышенияточности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточностиприменения и независимости от погодных условий.
Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. копытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальнойсистемой, получившей в дальнейшем название «Цикада».
В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система1-го поколения «Цикада» в составе 4-х навигационных спутников (НС),выведенных на круговые орбиты высотой 1000км, наклонением 83° иравномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяетпотребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт содним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительностинавигационного сеанса до 5… 6 мин.
В ходе испытаний было установлено, что основной вклад впогрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемыхспутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются наспутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду ссовершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторнойаппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросамповышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационныхспутников.
Была отработана специальная схема проведения измеренийпараметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаныметодики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.
Проведены работы по уточнению координат измерительныхсредств и вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала,предназначенной специально для определения и прогнозирования параметровнавигационных орбит. В результате точность передаваемых в составенавигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически напорядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину» 70… 80 м, а среднеквадратическаяпогрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80… 100 м.
ЭФЕМЕРИДЫ (в астрономии) — координатынебесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономическиевеличины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные втаблицы.
Для оснащения широкого класса морских потребителейразработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторнойаппаратуры «Шхуна» и «Челн». В дальнейшем спутники системы«Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратуройобнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальнымирадиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналыпринимаются спутниками системы «Цикада» и ретранслируются наспециальные наземные станции, где производится вычисление точных координатаварийных объектов (судов, самолетов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствиеспутники «Цикада» образуют системы «Коспас». Совместно самерикано-франко-канадской системой «Сарсат» они образуют единуюслужбу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенныхжизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковыхнавигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание кспутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальнойнавигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальныхпотребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств икосмических кораблей.
В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до еештатного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие усилия поподдержанию группировки. Разработаны самолетная аппаратура АСН-16, СНС-85,АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура«Шкипер» и «Репер» (РНИИ КП) и др.
Основным заказчиком и ответственным за испытания иуправление системами являются Военно-космические силы РФ.
В рассматриваемый период времени в США также проведеныинтенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколенияатомных ракетных подводных лодок «Полярис» была создана система«Транзит» (аналог СРНС «Цикада»), введенная в строй в 1964г.
В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второгопоколения — ОР5/«Навстар» (аналога отечественной системы ГЛОНАСС).Спутниковая радионавигационная система GPS полностьюразвернута в 1993.
В данном реферате рассматриваются системырадиоместоопределения (в дальнейшем — местоопределения), задачей которыхявляется контроль за перемещением подвижных объектов в центре сбора информациио местоположении и движении объектов или, как иногда это называют,сопровождение подвижных объектов.
Спутниковые системы местоопределения подвижных объектовбазируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу сигналов междуподвижным объектом, искусственным спутником Земли (ИСЗ) и наземной станцией,При этом подвижный объект, ИСЗ и наземная станция оснащаются радиотехническимоборудованием в зависимости от используемой конфигурации системы и методаопределения координат объекта. Далее будут рассмотрены три наиболеераспространенных типа конфигурации систем местоопределения.
/>/>/>3. Система местоопределения,использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему.Спутниковой радионавигационной системой принято называтьсистему, в которой группировка ИСЗ выполняет роль опорных радионавигационныхточек. К числу таких систем относятся NAVSTAR (США) и «Глонасс»(Россия). NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging)или GPS (Global Positioning System)
Эти системы относятся к категории пассивных систем ссамоопределением. В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, ааппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналовИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данныхнавигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются толькона самом объекте, т.е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятоеназвание этой аппаратуры — аппаратура потребителя спутниковой навигации(АПСН).
Схема построения системы радиоместоопределения исопровождения подвижных объектов на основе спутниковой радионавигационнойсистемы представлена на Рис. 1.
/> <td/>Рис.1 Схема построения системы радиоместоопределения
/>Аппаратура, устанавливаемая на подвижном объекте — аппаратура потребителя, осуществляет прием на направленную антеннунавигационных сигналов одновременно от нескольких ИСЗ (не менее 4-х),находящихся в зоне видимости. По поступающей от ИСЗ кодовой информации опараметрах излучаемого со спутника сигнала, а также данных об орбитальныхпараметрах движения ИСЗ (эфемеридная информация) в ЭВМ аппаратуры потребителяпо заложенным алгоритмам определяются географические координаты подвижногообъекта, скорость и направление движения.
Данные о координатах и скорости подвижного объекта могутпредставляться потребителю в визуальной форме на табло и запоминаются срегистрацией времени измерения.
Для передачи навигационных параметров подвижного объекта вцентр сбора данных на подвижном объекте используется отдельный канал связиподвижной спутниковой службы (ПСС). В данной схеме указан канал спутниковойсвязи подвижного объекта с наземной станцией центра сбора через геостационарныйспутник связи (ГСС). Сеанс измерения навигационных параметров и их передача отподвижного объекта включается по запросу из центра сбора При этом не требуетсявмешательства оператора на подвижном объекте.
Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR(NAV igation System using Timing And Ranging) или GPS (Global PositioningSystem) создана для высокоточногонавигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе,воздухе, на земле и в воде.
В ее состав входят навигационные спутники, наземныйкомплекс управления и аппаратура потребителей (пользователей). Применяемый всистеме принцип состоит в том, что специальные приемники, установленные употребителей, измеряют дальности до нескольких спутников и определяют своикоординаты по точкам пересечения поверхностей равного удаления. Величинавременной задержки определяется сопоставлением кодов сигналов, излучаемыхспутником и генерируемых приемным устройством, методом временного сдвига до ихсовпадения Временной сдвиг определяется по часам приемника. Для нахожденияшироты, долготы, высоты и исключения ошибок в определении временного сдвига,приемник пользователя должен “видеть” и принимать навигационные сигналы отчетырех спутников.
Скорость определяется по доплеровскому сдвигу несущейчастоты сигнала спутника, вызываемому движением пользователя. Доплеровскийсдвиг замеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника игенерируемых приемником.
Навигационные сигналы излучаются на двух частотах L-диапазона(L-band, полосы радиочастот от 390 до 1550 МГц); 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц(L2). На L2 излучаются сигналы с военным кодом P(Y) с высокоточной информациейи защищенным от имитационных помех.
P-код представляет из себя последовательность псевдослучайныхбистабильных манипуляций фазы несущей частоты с частотой следования, равной10,23 МГц и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этогокода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируетсяим в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На L1излучаются сигналы и с военным кодом P(Y) и с общедоступным гражданским кодом,который часто называют C/A. Прием сигналов по коду P(Y) обеспечивает работу свысокой точностью измерений. Сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислитьдополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу,что значительно повышает точность измерений навигационных данных.
Прием сигналов на частоте L1 с кодом C/A не позволяетопределить ошибки, вносимые ионосферой. Структура кода C/A обеспечивает худшиехарактеристики в режиме SPS (стандартная точность измерений). Так, если врежиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают22-23 метра, высоты — 27-28 метров и времени — 0,09 мкс, то в SPS ониувеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс.Первоначально режим SPS был необходим для грубого определения пользователямисвоих координат для вхождения в код P(Y). В настоящее время уровень электроникипрограммного обеспечения и методов обработки навигационной информации позволяетосуществлять достаточно быстрый захват P(Y) без кода С/А, а также проводитьвысокоточные определения по фазе несущей сигнала. Кроме того, полностью отработанныйназемный автоматическийрежим дифференциальной коррекции позволяет в ограниченном регионе получатьточное определение относительных координат взаимного расположения двухприемников, отслеживающих сигналы одних и тех же ИСЗ GPS. При использовании гражданскогоC/A- кода определяют координаты автомобиля с точностью от 2 до 5 метров.
28 марта 1994 года система GPS начала функционировать вштатной конфигурации-24 КА в 6 орбитальных плоскостях. Запуском 17 января 1997г, который закончился аварией, должен был начаться этап замены ИСЗ серий 2 и 2Ановыми аппаратами 2R. Компания LOCKHEED MARTIN изготавливает 21 аппарат этойсерии, которые планируется запустить до 2001 г.
Габаритные размеры корпуса ИСЗ — 1.52 м 1.93 м 1.91 м,размах солнечных батарей 19.3 м, площадь 13.4 кв. м. Мощность бортовой системыэлектропитания к концу срока эксплуатации 1136 Вт. Масса аппарата при запуске2032 кг, на рабочей орбите 1075 кг. Навигационную аппаратуру поставляет ITTAEROSPASE/COMMUNICATIONS.
Новые спутники имеют трехосную стабилизацию и позволятобеспечить определение времени с точностью до 0.000001 сек, положение объекта сточностью до единиц метров и скорость — примерно до 0.1 м/сек. Срок службыувеличен до 10 лет по сравнению с 7 годами для ИСЗ типа 2А. Стоимость ИСЗ серии2R составляет 40 млн. долл.
Группировка из 24 ИСЗ ГЛОНАСС выведена на орбиту ипозволяет определить координаты с погрешностью не более 50 м для гражданскогокода. Создан наземный сегмент управления спутниками, разработанный в СССР иреализованный Россией. В настоящее время в России отсутствует серийныйпроизводитель абонентской аппаратуры ГЛОНАСС для гражданского пользования.Структура орбитальной группировки и наблюдаемость ИСЗ системы даны вприложении.
/>/>/>4. Система местоопределения,использующая геостационарные спутники связи.Широкое развитие спутниковой связи на основегеостационарных спутников, вращающихся на экваториальных орбитах с периодом 24часа, позволили использовать эти спутники как неподвижные опорныерадионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижныхобъектов.
Схема построения системы местоопределения с двумягеостационарными спутниками связи представлена на Рис. 2. Примером таких системмогут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).
/>
Спутники ГСС-1 и ГСС-2 не являются составной частьюсистемы местоопределения, они выполняют роль ретрансляторов сигналов в линиирадиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижногообъекта.
При этом ГСС-1 обеспечивает ретрансляцию сигналов отназемной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС-2 только от подвижногообъекта к наземной станции.
Координаты подвижного объекта вычисляются на наземнойстанции по сигналам, полученным от подвижного объекта с двух направлений (отГСС-1 и ГСС-2). система четырех объектов, в которой координаты трех объектовГСС-1, ГСС-2 и наземной станции известны, позволяет по методу триангуляциирассчитать координаты четвертого объекта, если измерить дальности от подвижногообъекта до ГСС-1 и ГСС-2. Приближенно это можно представить следующим образом.Если измерены дальности от ГСС-1 и ГСС-2 до объекта L1 и L2, то подвижныйобъект находится на линии пересечения двухсфер, описанных радиусом L1 с центром на ГСС-1 и радиусом L2 с центромна ГСС-2. Пересечение же этой линии с поверхностью Земли даст точкуместоположения подвижного объекта.
Значения L1 и L2 определяются вычитанием из известныхрасстояний от наземной станции до ГСС-1 и ГСС-2 дальностей от наземной станциидо подвижного объекта через ГСС-1 и ГСС-2 соответственно. Эти дальностиопределяются на наземной станции по временной задержке между запросным сигналомот наземной станции и ответными сигналами от подвижного объекта, принимаемымичерез ГСС-1 и ГСС-2.
Полученные на наземной станции координаты подвижногообъекта могут быть переданы ему по каналу связи через ГСС-1.
Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, чтопозволяет наземной станцииустанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.
В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объектенаходится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация(включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземнойстанции.
Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены илисоединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным,спутниковым).
/>/>5. Глобальная навигационная спутниковая система/> <td/> />
/>/>ГЛОНАСС-М./> <td/>
Рис. 4 Отечественный спутник ГЛОНАСС — М
Назначение:
Обеспечение навигационной информацией и сигналами точного временивоенных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.
С 1996 года по предложению Правительства Российской ФедерацииМеждународная организация гражданской авиации и Международная морскаяорганизации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в качестве международных.
Характеристики:
Зона обслуживания Глобально по поверхности Земли в воздушном и околоземном космическом пространстве Возможность использования В любой момент, независимо от времени суток, года и метеоусловий
Точность навигационных определений (вероятность 0,95):
в стандартном режиме:
— по плановым координатам » 20 м — по высоте » 30 м — по скорости 5 м/с — по времени привязки к Госэталону 0,7 мкс в дифференциальном режиме от 0,1 м до 5 м Доступность 99,64% Количество КА в орбитальной группировке 24 (по 8 КА в трех плоскостях) Орбита круговая — высота 19140 км — наклонение 64,8° Частотный диапазон » 1,6 ГГц — частота L1 » 1,2 ГГц Гарантированный срок функционирования КА 7 лет Средства выведения: — одиночный запуск с к. Плесецк РН «Союз-2» и РБ «Фрегат» — групповой запуск (3 КА) с к. Байконур РН «Протон» и РБ «Бриз-М»/>
/>/>6. Система Глобального Позиционирования (GPS)Global Positioning System (GPS) — спутниковая системаопределения местонахождения подвижных объектов.
Система GPS создана министерством обороны США и позволяетс точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место нахождениянеподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трехизмерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скоростьпередвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда,автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается местонахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пунктуназначения. GPS используется также для составления географических карт и взадачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.
Система создана в спутниковой сети, образованнойспутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сетьимела 24 спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшоеустройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, чтопозволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностьюпоказывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты. Одним изважнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерятьвремя с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются сприемо-передатчиками спутников связи.
/>/>5.1 GPS в деталяхКроме высокой точности измерения координат своегоместоположения и скорости различных подвижных объектов, а также определениявремени, важными ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации,всепогодность и скрытность.
Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются надвух частотах: 1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаютсятолько сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию (P —Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационныхпомех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы какс кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A. Сигналы обоих кодов представляютсобой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью которойосуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. Военный код P(Y) имеетпродолжительность 267 суток, а код С/А — 1 мс. Прием сигналов с кодом P(Y) даетвозможность работы в режиме высокой точности измерений (PPS), а сравнениевремени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительнуюзадержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу из-занелинейности (увеличении пути) распространения в ней радиоволн.
Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможностивычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Крометого, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики врежиме стандартной точности измерений (SPS). За счет преднамеренного ухудшенияточности путем ввода ошибок при формировании навигационных параметров (режимизбирательного доступа — SA) погрешность измерений в режиме SPS может бытьдоведена до 300 м и более.
Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярнопередают специальные сообщения, которые содержат дополнительные сведения: осостоянии спутников и их параметрах — системном времени, эфемеридах (наборахпараметров, точно описывающих орбиты спутников), прогнозе ионосферной задержки,показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и L2. Для передачиполного сообщения обо всех спутниках требуется 12,5 минуты.
/>/>7. Сравнение GPS и ГЛОНАСССистемы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют иразличия (что хорошо видно из таблицы А). Они разрабатывались с учетомнаиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества навысоких широтах, а GPS — на средних.
Таблица A. Основные характеристики навигационных системГЛОНАСС и GPS
Характеристки 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 11 ч 15,7 мин. 11 ч 56,9 мин. Способ разделения сигналов Частотный КодовыйНавигационные частоты, МГц:
L1
L2
1602,56 — 1615,5
1246,44 — 1256,5
1575,42
1227,6
1 мс (С/А-код)
7 дней (Р-код)
1,023 (С/А-код)
10,23 (Р,Y-код)
Погрешность* определения координат в режиме ограниченного доступа:
горизонтальных, м
вертикальных, м
18 (P,Y-код)
28 (P,Y-код)
<200 (С/А-код)
20 (P,Y-код)
Погрешность* определения времени
в режиме свободного доступа, нс
в режиме ограниченного доступа, нс
1000 (СТ-код)
—
340 (С/А-код)
180 (P,Y-код)
Недостатками ГЛОНАСС являются:
необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как внастоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так ирадиоастрономии;
при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычномрежиме увеличиваются на 25—30м, а в дифференциальном режиме — превышают 10 м;
при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывностьсигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координатместа потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;
сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-заотсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемымисистемами координат.
Приемники, одновременно работающие с сигналами ИСЗ GPS иГЛОНАСС, в Украине изготавливаются на ГП «Оризон» (г. Смела).
/>/>8. Последние новости GPS/>/>/>8.1 Модернизация GPS — новыесигналы для гражданских пользователей
25 января 1999г. вице-президент США Альберт Гор заявил овыделении 400 млн. долларов из “президентского” бюджета на модернизацию GPS ивведении двух новых “гражданских” сигналов на запускаемых в будущем спутниках.
Второй «гражданский» сигнал будет размещен насуществующей частоте L2 (1227.6MHz), вместе с существующим “военным” сигналом.Он будет предназначен для использования в приложениях (геодезия и т.д.), несвязанных непосредственно с опасностью для жизни людей. Наличие этого сигналапредусматривается на спутниках, запускаемых с 2003 года.
Третий «гражданский» сигнал будет расположен начастоте 1176.45MHz внутри диапазона международного радионавигационного сервисадля авиации и мореплавания. Он предназначен для использования в приложениях,имеющих повышенные требования к безопасности (гражданская авиация и др.).Наличие этого сигнала предусматривается на спутниках, запускаемых с 2005 года.
Два новых «гражданских» сигнала в совокупности ссуществующим на частоте L1 (1575.42 MHz) существенно расширят возможности GPS.
/>/>8.2 Отмена селективного доступа1 мая 2000 года Президент США объявил о прекращении с 0:00 часов 2 мая 2000 года(время Восточного побережья США) действия так называемого “селективногодоступа” (Selective Availabilityили S/A) –преднамеренного “загрубления” сигналов спутников GPS-Navstar МинистерствомОбороны США, не позволяющего пользователю, не имеющему специальных полномочий,определять свое местоположение точнее 100 метров.
Это решение, а также прошлогоднее заявлениевице-президента США Альберта Гора о введении двух новых “гражданских” сигналовна запускаемых в будущем спутниках является реализацией решения Президента США,принятого в марте 1996 года о расширении использования GPS в гражданских целях.
Отмена действия S/A позволит в несколько раз улучшитьточность автономного местоопределения – по данным Национальной ГеодезическойСлужбы США до 20, а возможно до 10 метров.
Приведенные ниже рисунки иллюстрируют точность GPS придействующем и отключенном S/A.
/>/>На рисунках – данные наблюдений с 7:30до 14:00 UTC 2 мая этогогода (до и после отключения S/A) на одной из CORSстанций, подведомственных Службе Береговой Охраны США в штате Теннеси иданные одной из станций US Space Command.
S/A ON S/AOFF
/>
/>/>
9. Приёмники GPS/>/>9.1 Приёмники GPS индивидуального пользования/>Наиболеераспространенными являются приемники СРНС для индивидуального пользованияводителями автомобильного транспорта. Они имеют размер карманного калькуляторас клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаютсякоординаты пользователя, курс, расстояние и направление до контрольных точекмаршрута, пройденный маршрут движения, карта местности, параметры видимыхспутников (рис. 6).
/>Стоимостьтакого приемника колеблется от 100 до 1000 долларов.
Для индивидуального пользования разработаны такжеустройства, которые представляют собой специальные портативные компьютеры снавигационной программой и цифровой картой, текущий фрагмент которойвысвечивается на миниатюрном ЖК-дисплее. Примером могут служить приборы «CARIN» — Car Information and Navigation (Philips), «Travelpilot»(Bosch) и др. Это, по сути, электронные лоцманы,дающие указания водителю синтезированным голосом, заранее сообщая обо всехповоротах, стоянках и прочих особенностях данного маршрута.
Для точного определения своего местонахождения компьютерполучает информацию от трех источников: от GPS-приемника, от электронногокомпаса и от датчиков пройденного пути, установленных на колесах. В считанныесекунды с момента включения зажигания (и питания) система определяет своеместонахождение с точностью +/- 100 м, а затем, используя базу данных в CD-ROM,уточняет его до +/- 10 м. Достаточно указать с помощью специальных символов надисплее конец маршрута, и через 5 секунд компьютер выдаст оптимальнуютраекторию движения.
Наибольшее распространение эти системы получили вевропейских странах, где почти для любой местности составлены электронныецифровые карты. Диапазон цен на это оборудование простирается от 1500 до 7500DM. Но есть и более доступные по цене навигационные приборы, например«Филипс-Рутфайндер», которые по внешнему виду напоминают электронную записнуюкнижку и стоят около 500 DM. Вводя с клавиатуры исходный пункт и местоназначения, пользователь менее чем за минуту получает детальное описаниемаршрута, длительность пути, время прибытия в конечный пункт и другиепараметры. База данных для вычислений хранится на магнитной карточке, котораявставляется в считывающее устройство «Рутфайндера». Этим прибором можнопользоваться даже при пеших прогулках по незнакомому городу (рис. 7).
/>
Рис. 7 Персональные системы позиционирования на основе магнитных карт.
/>/>10. Новости ГЛОНАСС
/>/>10.1 Китай собирается сотрудничать с Россией в делеэксплуатации и развития системы ГЛОНАСС
Во время визита премьер-министра России Михаила Касьяновав Пекин, который состоялся в конце октября — начале ноября 2000 г., былподписан договор о сотрудничестве между Россией и Китаем в области эксплуатациии развития российской глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.Китай проявил интерес к установки терминалов этой системы на своих самолетах ив аэропортах.
Эта навигационная система является аналогом американскойсистемы глобального позиционирования GPS. Она предназначается для определенияточного положения и скорости движения объекта, расположенного в любой точкеземного шара. В законченном виде система ГЛОНАСС должна будет состоять из 24спутников. Сейчас на орбите находятся 14 спутников, но только 9 из нихнаходятся в рабочем состоянии. Для полноценной эксплуатации системы требуется1,5 млрд рублей в год.
/>/>11. Перспективы развития ГЛОНАССВ настоящее время на базе системы ГЛОНАСС предполагаетсясоздание Единой глобальной системы координатно-временного обеспечения (ЕС КВО).Кроме спутниковой системы, ЕС КВО включает:
üГосударственную систему Единого времени с эталонной базой страны;
üГосударственную систему и службу определения параметров вращенияЗемли;
üсистему наземной и заатмосферной оптической астрометрии;
üкосмическую геодезическую систему и др.
Считается, что возможности существенного повышенияточности навигационных определений связаны с созданием глобальной системыотсчета, использующей самоопределяющиеся навигационно-геодезические КА безпривлечения измерений с поверхности Земли.
При разработке направлений и путей совершенствования системыучитывается постоянный рост требований пользователей к точности навигационныхопределений и целостности системы. При этом под целостностью в данном случаепонимается способность самой системы обеспечивать предупреждение пользователейо тех моментах времени, когда система не должна использоваться длянавигационных определений. Одним из важнейших путей решения этой проблемыявляется интеграция двух спутниковых радионавигационных систем — ГЛОНАСС и GPS.
Можно выделить четыре основных направления модернизацииСРНС ГЛОНАСС:
1) улучшениесовместимости с другими радиотехническими системами;
2) повышениеточности навигационных определений и улучшение сервиса, предоставляемогопользователям;
3) повышениенадежности и срока службы бортовой аппаратуры спутников и улучшение целостностисистемы;
4) развитиедифференциальной подсистемы.
Одним из элементов первого направления является ужеупоминавшееся сокращение и смещение занимаемого диапазона частот. К настоящемувремени находящиеся в эксплуатации КА уже полностью прекратили передачурадиосигналов в полосе 1610.6...1613.8 МГц диапазона L1 (литера частотk=16...20), используемой при радиоастрономических исследованиях. В дальнейшемКА «Ураган», уже находящиеся на орбите, будут использовать литерычастот k=0...12, 22...24, а литеры частот 13, 14 и 21 будут иметь ограниченноеприменение: после запуска КА на этапе ввода в эксплуатацию, а также припроведении профилактических работ. Литер k=0 потребителями системы неиспользуется и служит для проверки находящихся на орбите резервных спутников.
На втором этапе, с началом запуска модернизированных КА«Ураган-М», излучение сигналов с борта КА будет осуществляться толькона несущих частотах с литерами k=0...12. Наконец, на третьем этапе(ориентировочно с 2005 г.) КА «Ураган-М» будут использовать дляизлучения навигационных сигналов несущие частоты с k = -7… 4, а несущиечастоты с номиналом 5 и 6 будут использоваться только как технологические приработе спутников с НКУ.
С целью повышения точности навигационных определенийпотребителями на борту КА «Ураган-М» будет установлен новый цезиевыйстандарт частоты. Кроме того, модернизированные КА будут излучать сигналы длягражданских пользователей в двух диапазонах волн L1 и L2, что позволитпрактически полностью исключить ионосферную погрешность измеренийпользователям, оборудованным двухчастотными приемниками.
Совместное использование для навигации двух систем — ГЛОНАСС и GPS, дает пользователям дополнительные преимущества, главными изкоторых являются повышение достоверности навигационного определения за счетувеличения числа доступных КА в зоне радиовидимости потребителя. Целый рядпредпосылок существенно облегчает интеграцию двух систем, в частности, приводялишь к незначительному усложнению и удорожанию комбинированных приемниковГЛОНАСС-GPS. К таким предпосылкам можно отнести:
· схожесть принципов синхронизации и измерения навигационныхпараметров;
· малое различие в используемых системах координат;
· близкий частотный диапазон;
· общность принципов баллистического построения;
· готовность правительств России и США предоставить системы дляиспользования различными потребителями мирового сообщества.
Режим дифференциальной навигации основан на том, чтобольшинство погрешностей СРНС во времени и в пространстве относительно постоянны.Следовательно, если одновременно с обработкой навигационных сигналовпотребитель будет получать поправки к ним, характеризующие точность навигации вданном районе, то это, как показывает опыт, позволяет снизить погрешностиопределения координат и высоты до 5 м. Для обеспечения работы в таком режимесоздаются дифференциальные подсистемы СРНС, которые подразделяются наширокозонные, региональные и локальные.
В России наиболее активно развивается последний типдифференциальных подсистем.
К настоящему времени определились три основных классалокальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) СРНС:
¨ морские, для обеспечения мореплавания в проливных зонах, узкостяхи акваториях портов и гаваней в соответствии с требованиями Международнойморской организации;
¨ авиационные, для обеспечения захода на посадку и посадкивоздушных судов по категориям Международной организации гражданской авиации;
¨ локальные, для геодезических, землемерных и других специальныхработ.
Предполагается, что сеть морских ЛДПС, работающих посигналам систем ГЛОНАСС и GPS, будет охватывать все побережье России иакватории прилегающих морей. В настоящее время отдельные средства проходятпредварительную проверку на Балтике.
К слову, имеются и весьма специфические применения ЛДПССРНС, например, для контроля за перемещением машин инкассаторов.
Признавая, что КНС ГЛОНАСС является национальным достояниемРоссии, распоряжением Президента РФ от 18.02.99 г. поручено Правительству РФпринять меры по безусловному сохранению и развитию КНС ГЛОНАСС и увеличениюколичества пользователей системы. Во исполнение этого распоряженияПравительство РФ в 22.03.99 г. приняло постановление, в котором определенаответственность федеральных органов исполнительной власти за поддержание иразвитие КНС ГЛОНАСС и представлен «План первоочередных мероприятий посохранению и развитию КНС ГЛОНАСС».
В соответствии с этим «Планом ...» разработана«Программа поддержания и развития КНС ГЛОНАСС на период до 2003года», в которой предусматриваются мероприятия по безусловному сохранениюКНС ГЛОНАСС, а так же ускоренное оснащение отечественного парка пользователей,работающих одновременно по сигналам от двух систем: ГЛОНАСС и GPS.
Программа развития космической навигации России базируетсяна следующих принципах:
ØМодернизация КНС осуществляется поэтапно с учетом реальныхвозможностей промышленности и бюджетного финансирования;
ØГосударство гарантирует международному сообществу поддержание КНСс требуемыми характеристиками на период до 2010 г.;
ØРазработка и эксплуатация системы учитывает возможностьсотрудничества с другими странами в части координации использования КНС,внедрения передовых технологий, элементной базы;
ØНавигационный сигнал КНС ГЛОНАСС сертифицирован на соответствиемеждународным стандартам;
ØТочностные характеристики КНС (СКО) в пределах 1 — 10 мобеспечиваются с применением дифференциального режима измерений, свыше 10 м врежиме прямой навигации;
ØВыполнение требований по целостности и оперативному оповещениюпотребителей о состоянии системы осуществляется с помощью оперативного каналамониторинга целостности системы;
Долговременная программа развития КНС реализовывается последующим укрупненным этапам.
Этап 1 (до 2003 г.). Поддержание КНС ГЛОНАСС наминимально допустимом уровне запусками КА «Глонасс», модернизация контураинформационного обмена наземного комплекса управления, расширенное оснащениепотребителей аппаратурой, работающей по сигналам двух систем: ГЛОНАСС и GPS.Разработка и создание КА «Глонасс-М» .
Этап 2 (до 2005 г.). Развертывание набазе КА «Глонасс-М» рабочей орбитальной группировки до 18 КА, переходв новый частотный диапазон навигационного сигнала. Отработка технологииэфемеридно-временного обеспечения с использованием межспутниковых измерений.Расширение номенклатуры и количества потребителей, работающих по сигналам КНСГЛОНАСС и GPS. Разработка и созданиемаломассогабаритного КА «Глонасс-К».
Этап 3 (до 2010 г.). Развертывание штатнойорбитальной группировки на базе маломассогабаритного КА «Глонасс-К».Расширение использования межспутниковой радиолинии для решения задачавтономного эфемеридно-временного обеспечения, оперативного управления иконтроля КА, обеспечения целостности. Создание наземной сети станциймониторинга КНС ГЛОНАСС и функциональных дополнений. Оснащение парка потребителейНАП, работающей по сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo.
Сравнительные характеристики навигационных КА
Наименование КА «Глонасс» «Глонасс-М» «Глонасс-К» 1. Решаемые задачи: • излучение навигационного сигнала + + + • межспутниковые измерения - + + 2. Количество выводимых КА одновременно: • РН «Протон», РБ ДМ/Бриз-М 3 КА (ДМ)3 КА
(Бриз-М)
6 КА
(Бриз-М)
• РН «Союз-2» (мод.1А), РБ «Фрегат» - 1КА 2КА 3. Гарантированный САС, лет 3 7 10 и более 4. Погрешность навигационных определений (план/высота), 3s 50/70 15/25 15/25 5. Срок начала летных испытаний 1982 2001 2004В соответствии с Соглашением от 26 июня 1996 г. междуПравительством РФ и ИКАО о предоставлении системы ГЛОНАСС для использованиямеждународному авиационному сообществу, ИКАО в 2000 г. завершает разработкустандартов и рекомендуемой практики, стандартизирующих использование системыГЛОНАСС в составе глобальной навигационной спутниковой системы GNSS и до 2002 г. планирует скорректировать их в частииспользования системы ГЛОНАСС-М. Этим же Соглашением гарантируется поддержаниехарактеристик системы ГЛОНАСС в течение не менее 15 лет.
Во исполнение Распоряжения Президента РФ от 18.02.99 г.(упомянуто выше) Правительство РФ выступило с Заявлением о предоставлении КНСГЛОНАСС в качестве основы для создания и развития международных глобальныхспутниковых систем.
НПО ПМ совместно с кооперацией основных изготовителейпринимает участие в разработке международной навигационной системы GNSS-2. Проработаны вопросы по возможности размещения на КА«Глонасс-М» дополнительной полезной нагрузки (бортовая навигационнаяаппаратура европейской разработки), создания наземного комплекса мониторинга,определен облик перспективного навигационного аппарата. КА «Глонасс-К»,разработанный НПО ПМ с учетом последних достижений науки и техники, предложенЕвропейскому сообществу в качестве космической платформы для международнойнавигационной системы GNSS-2.
/>/>12. ГЛОССАРИЙ
GPS(Global Positioning Systems) — глобальная система позиционирования.
ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система.
SPS (Standard Positioning Service) — стандартная точность измерений.
PPS (Precise Positioning Service) — прецизионное определениеместоположения.
NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging) — навигационнаясистема определения времени и дальности.
C/A (Coarse Acquisition) — грубыйзахват.
S/A (Selective Availability) — избирательный доступ.
СРНС – спутниковаярадионавигационная система
ЕС КВО – Единая глобальная системакоординатно-временного обеспечения
КА – космический аппарат
НКА – навигационный КА
ЭО –эфемеридное обеспечение
UTC – координированное всемирноевремя
/>/>/>ЛИТЕРАТУРА
1. ГЛОНАСС,Интерфейсный контрольный документ. КНИЦ, 1995.
2. GPS Interface Control Document (ICD-GPS-200),1991.
3. Rossbach U. et al. Transformation Parameters BeetweenPZ-90 and WGS-84, 1996.
4. Misra P. et al. SGS85-WGS84 Transformation,Manuscripta Geodaetica, Vol.19, 1994.
5. БутенкоВ.В., «Возможности использования ПКА “Эталон” для решения фундаментальныхи прикладных задач геодезии, геофизики и геодинамики», Геодезия икартография, № 12, 1993.
6. Журнал«Новости навигации», номер 2(4) 1999.
7. БогдановВ.А., Сорочинский В.А., Якшевич Е.В. «Спутниковые системыморскойнавигации.» – М.: Транспорт, 1987.
8. БарановЮ.К. «Определение места судна с помощью навигационныхспутников.»- М.: Транспорт, 1984.
9. ОружиеРоссии. Том VI: Ракетно-космическая техника. — М.: Военный Парад, 1997.-589 стр.с илл.
10. Н.М. Волков, Н.Е. Иванов, В.А. Салищев, В.В. Тюбалин. Глобальнаянавигационная спутниковая система «ГЛОНАСС»//Успехи современнойрадиоэлектроники. 1997. №1.
11. А. Владимиров. В полете — тройка «Ураганов»//Новостикосмонавтики. 1999. №2,3.
12. http://www.geokosmos.ru
13. http://www.satellite.srd.mtuci.ru
14. http://www.mcc.rsa.ru
15. http://www.terraspace.ru/activity/geodez/library
16. http://www.rssi.ru/SFCSIC/SFCSIC_main.html
17. http://www.online.ru/news
18. http://www.ustu.ru/cnit/rcnit/inf_techn/slovar/item0145.htm
19. http://www.comizdat.com.ua/nets/y1999/no2/a51.htm
20. http://kunegin.narod.ru/ref1/glonass/6.htm