ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 271
Скачиваний: 18
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
91
Таблица 6.2
Навигационные характеристики основных методов определения места судна с использованием спутников
Методы определе- ния места судна
Радионавига- ционный па- раметр
Навигаци- онный параметр
Изоповерх- ность
Изолиния
Дальномер- ный
Интервал времени
Топоцен- трическая дальность
Сфера
Сфериче- ская окруж- ность
Доплеров- ский диффе- ренциальный
Доплеров- ский сдвиг частоты
Радиальная скорость
Конус
Изодопа
Доплеров- ский инте- гральный
Число биений доплеровского сдвига частоты
Разность расстояний
Двухполосный гиперболоид вращения
Сфериче- ская гипер- бола
Первыми СНС, которые применялись в морском судовождении вплоть до конца 1990-х годов были американская СНС «Транзит» и её отечественный аналог СНС «Цикада». Космическая составляющая этих систем состояла из 4–6 КНА, находившихся на низких орбитах
(около 1 тыс. км), в них применялись доплеровские методы определе- ния места судна, как интегральный, так и дифференциальный.
Обсервации, полученные по этим СНС, были, по сути, крюйс- обсервациями, поскольку выполнялись следующим образом. За время нахождения спутника в зоне радиосвязи выполнялось несколько де- сятков (до 40) измерений радионавигационного параметра, на основе которых рассчитывалось такое же количество изолиний (изодопы, или сферические гиперболы). Затем все эти изолинии приводились к од- ному моменту (как правило, к моменту последнего измерения) и рас- считывались обсервованные координаты. В промежутках между об- сервациями ПИ индицировали счислимо-обсервованные координаты.
Причем дискретность обсерваций (промежутки времени между обсер- вациями) составляла от 16 мин до нескольких часов. Точность обсер- ваций в значительной мере зависела от высоты спутника, и при высо- те спутника от 7
о до 70
о
СКП обсервации составляла ±2–4 кбт.
Таким образом, первые СНС «Транзит» и «Цикада» обеспечивали не совсем высокую точность и характеризовались большой дискрет- ностью обсерваций. Для устранения этих недостатков работы по со- вершенствованию СНС продолжались, что привело к развёртыванию
92
СНС на средневысоких орбитах, которые рассматриваются в после- дующих лекциях.
ЛЕКЦИЯ 7. ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
NAVSTAR (4 часа)
7.1. Спутниковая навигационная система NAVSTAR и её структура.
7.2. Принцип действия системы. Псевдальномерный метод определе- ния места.
7.3. Уравнение навигационного параметра и его градиент. По- грешности навигационного параметра.
7.4. Точность обсерваций. Показатели ухудшения точности.
7.5. Повышение точности и целостности спутниковой навигационной системы.
7.6. Навигационное использование судовых приёмоиндикаторов.
Литература: [1], с. 281–300; [2], с. 344–362; [8], с. 163–170;
[12], с. 3–50; [13], с. 92–99; [18], с. 163–173.
7.1. Спутниковая навигационная система NAVSTAR
и её структура
В 1973 г. в США начались работы по созданию новой СНС, кото- рая получила название NAVSTAR (NAVSTAR – сокращение от Navi- gation Satellite Providing Time And Range). Эта система была введена в эксплуатацию в 1978 г., когда на средневысоких орбитах была сфор- мирована группировка из 18 спутников, которая в 1989 г. достигла штатной численности – 24 спутника. Общее название этого проекта –
Глобальная система позиционирования (Global Positioning System, со- кращенно – GPS). СНС NAVSTAR предназначена для непрерывного определения трёхмерных координат (географическая широта и долго- та, высота над поверхностью референц-эллипсоида) любого движуще- гося на поверхности Земли или в воздухе объекта, оборудованного ПИ этой системы. Дополнительно система индицирует вектор абсолютной путевой скорости и точное гринвичское время.
СНС NAVSTAR состоит из трех подсистем: а) космическая (на- вигационные спутники); б) наземная (комплекс управления системой и запуска спутников) и б) мобильная (аппаратура потребителей, мор- ской вариант – судовые приёмоиндикаторы).
93
Космическая под- система
СНС
NAVSTAR состоит из
24 рабочих спутников, находящихся на
6 средневысоких орби- тах: на каждой орбите
– по 4 спутника. Кро- ме этого на орбите имеется также один или несколько резерв- ных спутников (рис.
7.1). Орбиты спутни- ков СНС NAVSTAR относятся к средневы- соким с высотой Н ≈
20183 км, наклонени- ем i = 55
о и периодом обращения Т = 12 ч.
Орбиты, разнесённые по долготе на 60
о
, пе- ресекаются попарно под прямым углом, образуя на поверхности Зем- ли 8 равных октантов. При таких характеристиках орбит в каждой точке на земной поверхности в любой момент времени будет наблю- даться созвездие из одних и тех же спутников, число которых состав- ляет 6–11. Положение спутника на орбите определяется с точностью
±1,5–3 м. Один спутник может наблюдаться в течение 4,7 ч в зоне ра- диовидимости радиусом 4260 миль (76
о
). Масса спутника составляет
430 км (рис. 7.2).
Спутники передают синхронизированные сигналы в сантиметро- вом диапазоне волн (1575,42 МГц и 1227,60 МГц), содержащие нави- гационную, орбитальную и другую необходимую информацию. Каж- дый спутник оборудован следующей аппаратурой:
– передающее устройство с системой формирования навигацион- ных информационных сигналов;
– приёмопередающая аппаратура для обмена с наземным ком- плексом информацией о техническом состоянии спутника;
– высокостабильный атомный стандарт частоты для формирова- ния шкалы времени и обеспечения синхронизации сигналов;
– устройство для приёма информации с пунктов наземного кон- трольно-измерительного комплекса;
7.1. Космическая группировка СНС NAVSTAR
94
– электронно-вычислительное устройство с блоком памяти для оперативного управления аппаратурой спутника, а также для хранения специальной информации (орбитальные данные, эфемериды и т. п.);
– устройства обеспечения (энергоснабжения, ориентации, термо- регулирования и т. п.).
Основная часть аппаратуры спутника дублирована, внутри под- держивается постоянная температура, влажность и давление. Гаран- тийный срок работы составляет более 5 лет.
Наземная подсистема СНС NAVSTAR включает в себя:
– центр управления системой (ЦУС), расположенный на авиабазе
Шривер (бывшая Фалькон) в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо;
– пять станций слежения на американских военных базах, распо- ложенных на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсиа и Кваджилейн, а также в Колорадо-Спрингс;
– стартовый ракетно-космический комплекс для запуска спутников.
Сеть станций слежения обеспечивает непрерывный мониторинг технического состояния спутников, определяет параметры их орби- тального движения и передает всю необходимую информацию в ЦУС.
В ЦУС выполняется обработка этой информации, прогнозируются орбитальные параметры на несколько витков вперед, рассчитываются поправки на согласование шкал времени спутников, генерируются на- вигационные сообщения. Вся эта информация затем передаётся на
НКА с помощью аппаратуры станций слежения, расположенных на островах Вознесения, Диего-Гарсиа и Кваджилейн. В ЦУС также при- нимаются решения о выводе спутников из эксплуатации и замене их на резервные, о запуске новых спутников. Новые спутники взамен вышедших из строя запускаются со стар- тового ракетно- космического ком- плекса.
Мобильная под- система
СНС
NAVSTAR включает в себя аппаратуру по- требителей, в частно- сти судовые ПИ, ко- торые принимают сигналы спутников, выполняют их рас- шифровку и фор-
Рис. 7.2. Навигационный космический аппарат СНС NAVSTAR
95 мируют кодовые последовательности, а также дополнительная слу- жебная информация. Полученные кодовые последовательности срав- ниваются с аналогичным кодом, генерируемым в самой ПИ (реплика), и на основе смещения полученного от спутника сигнала относительно реплики рассчитывается навигационный параметр. Затем по специ- альному алгоритму, который в различных ПИ может быть разным, рассчитывают координаты с дискретностью 1 с (т. е. практически не- прерывно), которые затем вместе с другой информацией индицируют- ся на специальных дисплеях. ПИ включает в себя антенную систему, приёмное устройство, предварительный усилитель сигналов, элек- тронно-вычислительное устройство для первичной и вторичной обра- ботки информации, пульт ввода информации и дисплей.
Состав разнообразной дополнительной информации, которую можно вывести на дисплей, зависит от типа и назначения ПИ. Типич- ная информация, выводимая на дисплей ПИ СНС NAVSTAR, показа- на на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Дисплей типичного судового приёмоиндикатора СНС Навстар:
1 – курс и пеленг на путевую точку; 2 – отклонение от курса;
3 – расстояние до путевой точки; 4 – скорость по направлению на путе- вую точку; 5 – клавиша «человек за бортом»; 6 – клавиша курсора;
7 – клавиша записи текущего места судна; 8 – пуск режима навигации;
9 – подсветка клавиатуры; 10 – название путевой точки и время;
11 – поперечное смещение с линии пути; 12 – статус GPS
6 5
4 3
2 1
9 8
7 10 11 12
96
7.2. Принцип действия системы. Псевдальномерный метод
определения места
В СНС NAVSTAR используется дальномерный метод определе- ния координат объекта, когда в судовом ПИ принимаются сигналы не менее чем трёх спутников, на основе которых рассчитываются топо- центрические расстояния до этих спутников ρ
1
, ρ
2
и ρ
3
(рис. 7.4а). При пересечении трёх соответствующих изолиний, имеющих вид окруж- ностей, на поверхности Земли из-за постоянных погрешностей cδt в измеренных расстояниях получается треугольник погрешностей (рис.
7.4б). За место судна принимается точка пересечения биссектрис вер- шин треугольника погрешностей. Найдя место судна, можно определить постоян- ную погрешность
cδt, которая в значи- тельной мере обу- словлена рассогласо- ванием шкалы вре- мени судового ПИ относительно шкалы времени спутника.
Таким образом, при трёх изолиниях оп- ределяются три не- известные: широта φ, долгота λ и постоян- ная погрешность из- мерения расстояния
cδt. Для определения четвёртой координа- ты – высоты h отно- сительно поверхно- сти референц- эллипсоида – необ- ходимо наблюдать одновременно не ме- нее четырёх спутни- ков.
сδt
сδt
сδt
а)
б)
Рис. 7.4. Принцип действия СНС NAVSTAR
S
1
S
2
S
3
ρ
1
ρ
2
ρ
3
97
В СНС NAVSTAR также используются доплеровские методы с целью определения скорости судна.
Строго говоря, в СНС NAVSTAR используется не чисто даль- номерный, а пассивный псевдодальномерный способ определения места. Это означает, что на основе измерения промежутка времени t между моментом излучения импульса спутником и моментом приё- ма его антенной системой приёмоиндикатора рассчитывается псев- дорасстояние (или квазирасстояние) между спутником и судном, равное сумме истинного расстояния ρ
и
и погрешности измерения
cδt, т. е.
ρ = c(t + δt) = ρ
и
+ с δt . (7.1)
(Заметим, что в обычных терминах, принятых в классической на- вигации, псевдорасстояние равнозначно измеренному расстоянию).
На основе полученных таким образом четырех псевдорасстояний
ρ
i
(i = 1, 2, 3, 4) для определения трёх геоцентрических прямоуголь- ных координат судна X
C
,, Y
C
,, Z
C
и погрешности измерения расстоя- ния cδt в судовом ПИ решаются четыре уравнения следующего вида:
2 2
2 2
)
(
)
(
)
(
)
(
t
c
Z
Z
Y
Y
X
X
i
C
S
C
S
C
S
i
i
i
, (7.2) гдe X
s
, Y
s
, Z
s
– геоцентрические прямоугольные координаты i-го спут- ника, рассчитываемые на основе орбитальных данных (i = 1, 2, 3, 4).
Эти уравнения решаются итеративным методом, т. е. методом последовательного приближения.
После расчета геоцентрических прямоугольных координат судна выполняется переход к географическим координатам. Для этого используются известные формулы геодезии:
X
C
= (N + h
A
) cosφ
C
cosλ
С
;
Y
C
= (N + h
A
) cosφ
C
sinλ
С
;
Z
C
= [N(1 – e
2
) + h
A
] sinφ
C
; (7.3)
h
A
= h
ант
+ h
пр
+ h.
где N – главный радиус кривизны нормального сечения на первом вертикале (в плоскости поперечного сечения) общеземного эллипсои- да WGS-84 в месте судна; е – эксцентриситет WGS-84; h
ант
– расстоя-
98 ние от приемной части судовой антенны до ватерлинии; h
пр
– высота прилива; h – превышение поверхности геоида над поверхностью
WGS-84.
1 ... 6 7 8 9 10 11 12 13 14
7.3. Уравнение навигационного параметра и его градиент.
Погрешности навигационного параметра
Таким образом, в СНС NAVSTAR радионавигационным парамет- ром является разность времени между излучением навигационного сигнала спутником системы и моментом его приёма судовым ПИ, на- вигационным параметром – псевдорасстояние, изоповерхностью – изосфера, а изолинией – окружность.
Уравнением навигационного параметра – псевдорасстояния – яв- ляется модифицированное выражение (7.1)
ρ = ρ
и
+ с δt = ρ
и
+ ∆t
з
+∆t
р
+ ∆t
с
,
(7.4) где ∆t
з
– поправка на рефракцию радиосигнала в ионосфере и тропо- сфере; ∆t
р
– поправка на рассогласование шкал времени спутника и приемоиндикатора; ∆t
с
– поправка на рассогласование шкалы време- ни спутника и СНС.
Эти поправки передаются со спутника вместе с навигационным сигналом.
Определение градиента псевдорасстояния показано на рис. 7.5. В треугольнике АВС катет АС – СКП измерения псевдорасстояния m
ρ
, а гипотенуза АВ – СКП линии положения m
лп
. Здесь m
ρ
/m
лп
= cosh
S
Поскольку в общем случае градиент g определяется как g = m
ρ
/m
лп
,
то градиент псевдорасстояния определяется следующим образом:
g = cosh
S
. (7.5)
Направление градиента совпадает с направлением вектора псев- дорасстояния. Из выражения (7.5) видно, что с уменьшением высоты спутника градиент псевдорасстояния и, следовательно, погрешность линии положения (поскольку погрешность измерения пседорасстоя- ния можно считать постоянной) уменьшаются.
Введение поправок в уравнение (7.4) вызвано необходимостью компенсировать погрешности, возникающие при измерении псевдо- расстояний. К основным из них относятся ионосферные и тропосфер- ные задержки сигнала спутника, экранирование, отражение и много- путность сигнала, рассогласование и погрешности шкал времени
99 спутника и ПИ, по- грешности расчета эфемерид и инст- рументальные по- грешности аппара- туры ПИ.
Ионосферные
и
тропосферные
задержки. В СНС при расчёте псевдо- расстояния предпо- лагается, что ско- рость распростра- нения сигнала спутника постоянна и равна скорости света, что справед- ливо для условий вакуума. На самом деле сигнал на своём пути от спутника до ПИ про- ходит через различные слои атмосферы, в частности через ионосферу и тропосферу. Ионосферный слой находится на высоте от 50 до
500 км над поверхностью Земли и содержит заряженные частицы, в частности свободные электроны, которые вызывают как снижение скорости, так и искажение траектории распространения сигнала спут- ника. Причем, чем меньше высота спутника, тем больше ионосферная задержка, поскольку путь, проходимый в условиях ионосферы, уве- личивается. По разным оценкам, ионосферная задержка в простран- ственном измерении может достигать от 5 до 30 м днем, а ночью она уменьшается в 4-5 раз.
Преодолев ионосферу, сигнал спутника попадает в нижний плот- ный атмосферный слой – тропосферу (высота 8–13 км), где также происходит его задержка из–за наличия как заряженных частиц, так и водяных паров. Тропосферные задержки гораздо меньше ионосфер- ных и составляют около 1 м.
Частично коррекция этих задержек в ПИ выполняется с исполь- зованием информации, содержащейся в навигационном сообщении спутниковых сигналов. Их полная коррекция возможна только при работе на двух частотных каналах.
Экранирование, отражение и многопутность сигнала спут-
ника. Эффект экранирования может проявиться в шхерах, узких про- ливах с высокими гористыми берегами, когда зона радиовидимости
С
'
В
А
Изоповерхность
'
h
S
S
ρ
С
В
А
m
лп
m
ρ
Рис. 7. 5. К определению градиента навигационного параметра
h
S