ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 265
Скачиваний: 18
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
7.6. Навигационное использование судовых приёмоиндикаторов
В настоящее время не менее 70 компаний в мире производят бо- лее 200 разновидностей приёмной аппаратуры для СНС, многие из ко- торых можно использовать в качестве судовых ПИ. Типичные судо- вые ПИ СНС имеют возможности сопряжения с современной навига- ционной аппаратурой: РЛС, САРП, авторулевой, лаг, эхолот, элек- тронные картографические системы. Судовой ПИ является обязатель- ным элементом любого навигационного автоматизированного ком- плекса.
Возможности навигационного использования судового ПИ опре- деляются его функциональным меню, имеющим обширное информа- ционное обеспечение, которое должен знать каждый судоводитель.
При этом следует обратить внимание на имеющие отношение к клас- сической навигации понятия, термины и сокращения, которые следует рассмотреть отдельно.
109
При решении задач на- вигации с использованием
ПИ СНС одним из важней- ших является понятие «пу- тевая точка» (WP – Way
Point). Путевыми можно на- зывать любые точки мар- шрута судна, в которых произошло (или будет про- исходить) какое-либо собы- тие: начало или конец мар- шрута, изменение курса, переход на другую карту, место входа с особым ре- жимом плавания, приём лоцмана и т. п. Путевые точки могут идентифициро- ваться (цифрами или бук- вами), сохраняться в памя- ти, выводиться на дисплей, стираться, перемещаться.
Это позволяет воспроизводить на дисплее маршрут рейса (предвари- тельную прокладку) и модифицировать его.
Особое значение для судоводителя имеет возможность установки на ПИ различных тревожных и предупредительных сигнализаций: вы- ход на пределы установленной полосы движения, отклонение от курса сверх заданного предела, подход к следующей путевой точке, о неис- правностях ПИ.
Напомним, что ПИ GPS NAVSTAR индицируют координаты (в системе WGS-84), время (Всемирное координированное) и другую информацию, определяемую различными терминами и сокращениями, основными из которых являются следующие (рис. 7.8):
– COG (Course Over Ground) – текущий путевой угол;
– SOG (Speed Over Ground) – текущая путевая скорость;
– ALT (Altitude) – высота над уровенной поверхностью расчётно- го эллипсоида;
– XTE (Cross Track Error) – боковое смещение с линии заданного пути;
– SPD (Speed) – текущая скорость по лагу (при сопряжении с ла- гом);
N
и
HDG
Way point to
BRG
XTE
Way point from
RNG
Рис. 7.8. Элементы информации в ПИ СНС
N
и
CTW
DTW
110
– HDG (Heading) – текущий гирокомпасный курс (при сопряже- нии с гирокомпасом);
– VMG (Velocity Made Good) – скорость сближения со следую- щей путевой точкой (проекция вектора на линию, соединяющую те- кущее место судна и следующую путевую точку);
– DMG (Distance Made Good) – расстояние от предыдущей путе- вой точки до текущего места судна;
– CMG (Coarse Made Good) – пеленг на текущее место судна из точки начала движения;
– CTW (Course To Way Point) – курс из предыдущей путевой точ- ки в следующую;
– DTW (Distance To Way Point) – расстояние от предыдущей пу- тевой точки до следующей;
– TTG (Time To Go) – время следования до следующей путевой точки;
– ETA (Expected Time of Arrival) – ожидаемое время прибытия в следующую путевую точку;
– BRG (Bearing to Way Point) – пеленг из текущего места судна на следующую путевую точку;
– RNG (Range to Way Point) – расстояние от текущего места судна до следующей путевой точки).
Однако следует иметь в виду, что в ПИ различных типов и раз- ных изготовителей сокращения, в том числе и приведённые выше, мо- гут иметь другое значение. Поэтому для обеспечения эффективного использования предоставляемой ПИ информации судоводитель дол- жен тщательно ознакомиться с руководством для этого ПИ,
Решение основной задачи навигации – контроль движения и ме- стоположения судна – судовой ПИ обеспечивает с помощью расчёта и индикации обсервованных (и маршрутных) координат и указанных выше параметров, а также различных сигнализаций. Кроме того, ти- пичный судовой ПИ позволяет решать ряд вспомогательных и допол- нительных навигационных задач, например:
– разработка и сохранение новых и коррекция старых маршрутов;
– расчёт локсодромического и ортодромического курсов и рас- стояния от текущего места судна до любой точки или между любыми заданными точками;
– расчёт пройденного расстояния и времени прихода в заданную точку;
– фиксация текущего места судна в качестве обычной путевой точки или аварийной точки (например, при падении человека за борт).
111
Судовые ПИ СНС изготовляются в соответствии с минимальны- ми эксплуатационно-техническими требованиями, изложенными в со- ответствующих документах ИМО.
ЛЕКЦИЯ 8. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (2 часа)
8.1. Состав спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и её ха- рактеристика, принцип действия.
8.2. Интеграция среднеорбитальных СНС. Совместное использование
NAVSTAR и ГЛОНАСС.
8.3. Альтернативные глобальные спутниковые навигационные систе- мы.
8.4. Региональные спутниковые навигационные системы.
Литература: [1], с. 281–292; [2], с. 344–362; [8], с. 172–173;
[11], с. 48–50.
8.1. Состав спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС,
её характеристики, принцип действия
Аналогом американской СНС NAVSTAR в нашей стране является
СНС ГЛОНАСС (Глобальная на- вигационная спутниковая систе- ма). Первый спутник этой систе- мы был запущен в 1982 г., а в
1993 г. система официально была принята в эксплуатацию. К 1996 г. космическая группировка развер- нута полностью и составляет 24 спутника. Такое количество спут- ников обеспечивает непрерывное высокоточное определение широ- ты, долготы и высоты места, а также путевой скорости в любой точке Земли.
Как и любая спутниковая система, СНС ГЛОНАСС состоит из трёх подсистем: а) космиче- ская; б) наземная и в) мобильная.
Космическая
подсистема
Рис. 8.1. Спутник СНС ГЛОНАСС
112 включает в себя 24 спутника, находящихся на 3 разнесенных друг от друга на 120
о средневысоких орбитах с высотой Н ≈ 19100 км, на- клонением i = 64,8
о и периодом обращения Т = 11 ч 45 м 44 с. На каж- дой орбите находится 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45
о
Положение спутника на орбите определяется с точностью ± 15 м, а по высоте ± 4 м. Время эксплуатации спутника составляет 5 лет (рис.
8.1).
В состав бортовой аппаратуры входят:
– навигационный комплекс, который обеспечивает функциониро- вание спутника как элемента СНС ГЛОНАСС, синхронизацию шкал времени, формирование навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение;
– комплекс управления, который обеспечивает измерение рас- стояния в беззапросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный ком- плекс, распределение питания на системы и приборы спутника;
– система ориентации и стабилизации, которая обеспечивает ус- покоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце, ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на
Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орби- ты;
– система коррекции, которая обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты;
– система терморегулирования и электроснабжения, которая обеспечивает необходимый тепловой режим спутника, а также вклю- чает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей составляет 1600 Вт, площадь 17,5 м
2
. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществ- ляется за счет аккумуляторных батарей разрядной емкостью 70 ам- пер-часов.
Для обеспечения надёжности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.
Таким образом, на спутник системы ГЛОНАСС возложено вы- полнение следующих функций:
– излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;
– приём, хранение и передача цифровой навигационной инфор- мации;
113
– формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;
– ретрансляция или излучение сигналов для проведения измерений параметров орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;
– приём и обработка разовых команд;
– приём, запоминание и выполнение временных программ управ- ления режимами функционирования спутника на орбите;
– формирование телеметрической информации о состоянии бор- товой аппаратуры и передача её для обработки и анализа наземному комплексу управления;
– приём и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;
– формирование и передача «признака неисправности» при выхо- де важных контролируемых параметров за пределы нормы.
Управление спутниками системы ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.
Наземная подсистема включает в себя Центр управления систе- мой, расположенный в г. Краснознаменске (Московская область), не- сколько командных станций слежения, рассредоточенных по террито- рии России (Санкт-Петербург, Щелково под Тверью, Енисейск, Ком- сомольск-на-Амуре и т. д.), контрольную станцию, квантово- оптические станции, систему контроля фаз и центральный синхрони- затор (рис. 8.2). Центр управления системой осуществляет сбор, нако- пление и обработку траекторной и телеметрической информации обо
Рис. 8.2. Наземная подсистема СНС ГЛОНАСС
114 всех спутниках системы, поступаемой со станций слежения, форми- рование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигаци- онной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.
Мобильная подсистема СНС ГЛОНАСС включает в себя аппа- ратуру потребителей, в частности судовые шестиканальные ПИ отече- ственного производства, которые принимают сигналы спутников, вы- полняют их расшифровку и обработку в оптимальном варианте со- звездия и рассчитывают координаты, индицируемые на специальных дисплеях.
СНС ГЛОНАСС работает следующим образом. Спутники системы непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигаци- онный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2
(1,2 ГГц) (в данном случае, однако, в отличие от СНС NAVSTAR, ка- ждый спутник работает на своей частоте). Информация, предостав- ляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает возможность опреде- ления:
– горизонтальных координат (широта и долгота) – с точностью
50–70 м (с вероятностью 99,7 %);
– вертикальных координат (высота над уровнем общеземного эл- липсоида) – с точностью 70 м (с вероятностью 99,7 %);
– составляющих вектора скорости – с точностью 15 см/с (с веро- ятностью 99,7 %);
– точного времени – с точностью 0,7 мкс (с вероятностью 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специ- альные методы измерений. Координаты определяются в системе
ПЗ–90.02 (вторая версия отечественной геодезической системы
«Параметры Земли 1990 г.»), которая весьма близка к WGS-84.
Сигнал ВТ предназначен в основном для отечественных военных потребителей, и его несанкционированное использование не рекомен- дуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребите- лям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4 спутников. При приёме навигационных радиосигналов судовой
ПИ, используя известные радиотехнические методы, измеряет навига- ционные параметры (псевдорасстояния до видимых спутников) и ско- рости распространения радиосигналов.
115
Уравнение навигационного параметра имеет следующий вид:
ρ = ρ
и
+ сτ
о
+ δ
сум
, (8.1) где ρ – псевдорасстояние; ρ
и
– истинное расстояние между антенной судового приёмоиндикатора и спутником; с – скорость распростране- ния радиоволн; τ
о
– рассогласование шкал времени судового ПИ и
СНС; δ
сум
– суммарная погрешность, учитывающая погрешности эфемеридной информации, частотно-временную погрешность и каче- ство работы аппаратуры судового ПИ.
Одновременно с проведением навигационных измерений в ПИ выполняется автоматическая обработка меток времени и цифровой информации, содержащихся в каждом навигационном сигнале. Циф- ровая информация описывает положение спутника в пространстве в геоцентрической прямоугольной системе, а также времени относи- тельно единой для системы шкалы времени. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альма- нах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты навигационных измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения задачи определения координат и скорости движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве ПИ, при этом используется метод наименьших квадратов.
8.2. Интеграция среднеорбитальных СНС.
Совместное использование NAVSTAR и ГЛОНАСС
Существенного повышения как точности, так и надёжности (це- лостности, непрерывности и доступности) навигационных определе- ния можно добиться путем совместного использования сигналов среднеорбитальных СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС. Основные предпо- сылки, обусловливающие возможность и целесообразность такого объединения, заключаются в следующем:
– похожие принципы баллистического построения обеих сис- тем, т. е. достаточно близкие значения параметров орбит их спутников (табл. 8.1);
– общность используемого частотного диапазона, а также общ- ность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую ма- нипуляцию и псевдослучайные последовательности;
– одинаковые принципы синхронизации и измерения навигаци- онных параметров;
116
– схожие по содержанию и хронологии планы создания и совер- шенствования систем;
– готовность правительств США и России предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества.
Таблица 8.1
Сравнительные характеристики СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС
Характеристики
NAVSTAR
ГЛОНАСС
Количество спутников (резерв)
24(3)
24(3)
Количество орбит
6 3
Количество спутников на орбите
4 8
Параметры орбит:
– высота
– наклонение
– период обращения спутника
– тип эфемерид
20183 км
55 0
11 ч 56,9 м элементы
Кеплера
19100 км
64,8 0
11ч 15,7 м геоцентрические координаты
Геодезическая система координат
WGS–84
ПЗ–90.02
Система времени
UTC (USNO)
UTC (US)
Несущие частоты рабочих сигналов:
– L1 (МГц)
– L2 (МГц)
1574,4 1227,6 1602,6 –1615,5 1246,4–1256,5
Способ разделения сигналов спутника кодовый частотный
Период повторения кодовой последо- вательности
1 мс
1 мс
Скорость передачи информации
50 бит/с
50 бит/с
Расчёты показывают, что при совместном использовании СНС
NAVSTAR и ГЛОНАСС только за счет увеличения в зоне радиовиди- мости количества спутников до 16–18 (что ведёт к уменьшению
GDOP, HDOP и VDOP), точность определения координат и времени может быть увеличена в 1,4–1,6 раз. При этом доступность системы достигает 100 %.
Дополнительные преимущества совместного ис- пользования этих систем связаны также с возможностью работы в местах, где ранее сигналы спутников не принимались, и в неблаго- приятные для приёма сигналов промежутки времени. Кроме того, ис- чезают проблемы срыва инициализации системы.
К настоящему времени, помимо теоретических и проектных ра- бот по объединению СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС, достигнуты и оп- ределённые практические результаты. В частности, разработаны и созданы специальные ПИ, принимающие и обрабатывающие сигналы обеих систем. В качестве примеров можно указать ПИ АСН-21М,
В настоящее время не менее 70 компаний в мире производят бо- лее 200 разновидностей приёмной аппаратуры для СНС, многие из ко- торых можно использовать в качестве судовых ПИ. Типичные судо- вые ПИ СНС имеют возможности сопряжения с современной навига- ционной аппаратурой: РЛС, САРП, авторулевой, лаг, эхолот, элек- тронные картографические системы. Судовой ПИ является обязатель- ным элементом любого навигационного автоматизированного ком- плекса.
Возможности навигационного использования судового ПИ опре- деляются его функциональным меню, имеющим обширное информа- ционное обеспечение, которое должен знать каждый судоводитель.
При этом следует обратить внимание на имеющие отношение к клас- сической навигации понятия, термины и сокращения, которые следует рассмотреть отдельно.
109
При решении задач на- вигации с использованием
ПИ СНС одним из важней- ших является понятие «пу- тевая точка» (WP – Way
Point). Путевыми можно на- зывать любые точки мар- шрута судна, в которых произошло (или будет про- исходить) какое-либо собы- тие: начало или конец мар- шрута, изменение курса, переход на другую карту, место входа с особым ре- жимом плавания, приём лоцмана и т. п. Путевые точки могут идентифициро- ваться (цифрами или бук- вами), сохраняться в памя- ти, выводиться на дисплей, стираться, перемещаться.
Это позволяет воспроизводить на дисплее маршрут рейса (предвари- тельную прокладку) и модифицировать его.
Особое значение для судоводителя имеет возможность установки на ПИ различных тревожных и предупредительных сигнализаций: вы- ход на пределы установленной полосы движения, отклонение от курса сверх заданного предела, подход к следующей путевой точке, о неис- правностях ПИ.
Напомним, что ПИ GPS NAVSTAR индицируют координаты (в системе WGS-84), время (Всемирное координированное) и другую информацию, определяемую различными терминами и сокращениями, основными из которых являются следующие (рис. 7.8):
– COG (Course Over Ground) – текущий путевой угол;
– SOG (Speed Over Ground) – текущая путевая скорость;
– ALT (Altitude) – высота над уровенной поверхностью расчётно- го эллипсоида;
– XTE (Cross Track Error) – боковое смещение с линии заданного пути;
– SPD (Speed) – текущая скорость по лагу (при сопряжении с ла- гом);
N
и
HDG
Way point to
BRG
XTE
Way point from
RNG
Рис. 7.8. Элементы информации в ПИ СНС
N
и
CTW
DTW
110
– HDG (Heading) – текущий гирокомпасный курс (при сопряже- нии с гирокомпасом);
– VMG (Velocity Made Good) – скорость сближения со следую- щей путевой точкой (проекция вектора на линию, соединяющую те- кущее место судна и следующую путевую точку);
– DMG (Distance Made Good) – расстояние от предыдущей путе- вой точки до текущего места судна;
– CMG (Coarse Made Good) – пеленг на текущее место судна из точки начала движения;
– CTW (Course To Way Point) – курс из предыдущей путевой точ- ки в следующую;
– DTW (Distance To Way Point) – расстояние от предыдущей пу- тевой точки до следующей;
– TTG (Time To Go) – время следования до следующей путевой точки;
– ETA (Expected Time of Arrival) – ожидаемое время прибытия в следующую путевую точку;
– BRG (Bearing to Way Point) – пеленг из текущего места судна на следующую путевую точку;
– RNG (Range to Way Point) – расстояние от текущего места судна до следующей путевой точки).
Однако следует иметь в виду, что в ПИ различных типов и раз- ных изготовителей сокращения, в том числе и приведённые выше, мо- гут иметь другое значение. Поэтому для обеспечения эффективного использования предоставляемой ПИ информации судоводитель дол- жен тщательно ознакомиться с руководством для этого ПИ,
Решение основной задачи навигации – контроль движения и ме- стоположения судна – судовой ПИ обеспечивает с помощью расчёта и индикации обсервованных (и маршрутных) координат и указанных выше параметров, а также различных сигнализаций. Кроме того, ти- пичный судовой ПИ позволяет решать ряд вспомогательных и допол- нительных навигационных задач, например:
– разработка и сохранение новых и коррекция старых маршрутов;
– расчёт локсодромического и ортодромического курсов и рас- стояния от текущего места судна до любой точки или между любыми заданными точками;
– расчёт пройденного расстояния и времени прихода в заданную точку;
– фиксация текущего места судна в качестве обычной путевой точки или аварийной точки (например, при падении человека за борт).
111
Судовые ПИ СНС изготовляются в соответствии с минимальны- ми эксплуатационно-техническими требованиями, изложенными в со- ответствующих документах ИМО.
ЛЕКЦИЯ 8. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (2 часа)
8.1. Состав спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и её ха- рактеристика, принцип действия.
8.2. Интеграция среднеорбитальных СНС. Совместное использование
NAVSTAR и ГЛОНАСС.
8.3. Альтернативные глобальные спутниковые навигационные систе- мы.
8.4. Региональные спутниковые навигационные системы.
Литература: [1], с. 281–292; [2], с. 344–362; [8], с. 172–173;
[11], с. 48–50.
8.1. Состав спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС,
её характеристики, принцип действия
Аналогом американской СНС NAVSTAR в нашей стране является
СНС ГЛОНАСС (Глобальная на- вигационная спутниковая систе- ма). Первый спутник этой систе- мы был запущен в 1982 г., а в
1993 г. система официально была принята в эксплуатацию. К 1996 г. космическая группировка развер- нута полностью и составляет 24 спутника. Такое количество спут- ников обеспечивает непрерывное высокоточное определение широ- ты, долготы и высоты места, а также путевой скорости в любой точке Земли.
Как и любая спутниковая система, СНС ГЛОНАСС состоит из трёх подсистем: а) космиче- ская; б) наземная и в) мобильная.
Космическая
подсистема
Рис. 8.1. Спутник СНС ГЛОНАСС
112 включает в себя 24 спутника, находящихся на 3 разнесенных друг от друга на 120
о средневысоких орбитах с высотой Н ≈ 19100 км, на- клонением i = 64,8
о и периодом обращения Т = 11 ч 45 м 44 с. На каж- дой орбите находится 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45
о
Положение спутника на орбите определяется с точностью ± 15 м, а по высоте ± 4 м. Время эксплуатации спутника составляет 5 лет (рис.
8.1).
В состав бортовой аппаратуры входят:
– навигационный комплекс, который обеспечивает функциониро- вание спутника как элемента СНС ГЛОНАСС, синхронизацию шкал времени, формирование навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение;
– комплекс управления, который обеспечивает измерение рас- стояния в беззапросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный ком- плекс, распределение питания на системы и приборы спутника;
– система ориентации и стабилизации, которая обеспечивает ус- покоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце, ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на
Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орби- ты;
– система коррекции, которая обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты;
– система терморегулирования и электроснабжения, которая обеспечивает необходимый тепловой режим спутника, а также вклю- чает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей составляет 1600 Вт, площадь 17,5 м
2
. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществ- ляется за счет аккумуляторных батарей разрядной емкостью 70 ам- пер-часов.
Для обеспечения надёжности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.
Таким образом, на спутник системы ГЛОНАСС возложено вы- полнение следующих функций:
– излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;
– приём, хранение и передача цифровой навигационной инфор- мации;
113
– формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;
– ретрансляция или излучение сигналов для проведения измерений параметров орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;
– приём и обработка разовых команд;
– приём, запоминание и выполнение временных программ управ- ления режимами функционирования спутника на орбите;
– формирование телеметрической информации о состоянии бор- товой аппаратуры и передача её для обработки и анализа наземному комплексу управления;
– приём и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;
– формирование и передача «признака неисправности» при выхо- де важных контролируемых параметров за пределы нормы.
Управление спутниками системы ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.
Наземная подсистема включает в себя Центр управления систе- мой, расположенный в г. Краснознаменске (Московская область), не- сколько командных станций слежения, рассредоточенных по террито- рии России (Санкт-Петербург, Щелково под Тверью, Енисейск, Ком- сомольск-на-Амуре и т. д.), контрольную станцию, квантово- оптические станции, систему контроля фаз и центральный синхрони- затор (рис. 8.2). Центр управления системой осуществляет сбор, нако- пление и обработку траекторной и телеметрической информации обо
Рис. 8.2. Наземная подсистема СНС ГЛОНАСС
114 всех спутниках системы, поступаемой со станций слежения, форми- рование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигаци- онной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.
Мобильная подсистема СНС ГЛОНАСС включает в себя аппа- ратуру потребителей, в частности судовые шестиканальные ПИ отече- ственного производства, которые принимают сигналы спутников, вы- полняют их расшифровку и обработку в оптимальном варианте со- звездия и рассчитывают координаты, индицируемые на специальных дисплеях.
СНС ГЛОНАСС работает следующим образом. Спутники системы непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигаци- онный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2
(1,2 ГГц) (в данном случае, однако, в отличие от СНС NAVSTAR, ка- ждый спутник работает на своей частоте). Информация, предостав- ляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает возможность опреде- ления:
– горизонтальных координат (широта и долгота) – с точностью
50–70 м (с вероятностью 99,7 %);
– вертикальных координат (высота над уровнем общеземного эл- липсоида) – с точностью 70 м (с вероятностью 99,7 %);
– составляющих вектора скорости – с точностью 15 см/с (с веро- ятностью 99,7 %);
– точного времени – с точностью 0,7 мкс (с вероятностью 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специ- альные методы измерений. Координаты определяются в системе
ПЗ–90.02 (вторая версия отечественной геодезической системы
«Параметры Земли 1990 г.»), которая весьма близка к WGS-84.
Сигнал ВТ предназначен в основном для отечественных военных потребителей, и его несанкционированное использование не рекомен- дуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребите- лям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4 спутников. При приёме навигационных радиосигналов судовой
ПИ, используя известные радиотехнические методы, измеряет навига- ционные параметры (псевдорасстояния до видимых спутников) и ско- рости распространения радиосигналов.
115
Уравнение навигационного параметра имеет следующий вид:
ρ = ρ
и
+ сτ
о
+ δ
сум
, (8.1) где ρ – псевдорасстояние; ρ
и
– истинное расстояние между антенной судового приёмоиндикатора и спутником; с – скорость распростране- ния радиоволн; τ
о
– рассогласование шкал времени судового ПИ и
СНС; δ
сум
– суммарная погрешность, учитывающая погрешности эфемеридной информации, частотно-временную погрешность и каче- ство работы аппаратуры судового ПИ.
Одновременно с проведением навигационных измерений в ПИ выполняется автоматическая обработка меток времени и цифровой информации, содержащихся в каждом навигационном сигнале. Циф- ровая информация описывает положение спутника в пространстве в геоцентрической прямоугольной системе, а также времени относи- тельно единой для системы шкалы времени. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альма- нах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты навигационных измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения задачи определения координат и скорости движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве ПИ, при этом используется метод наименьших квадратов.
8.2. Интеграция среднеорбитальных СНС.
Совместное использование NAVSTAR и ГЛОНАСС
Существенного повышения как точности, так и надёжности (це- лостности, непрерывности и доступности) навигационных определе- ния можно добиться путем совместного использования сигналов среднеорбитальных СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС. Основные предпо- сылки, обусловливающие возможность и целесообразность такого объединения, заключаются в следующем:
– похожие принципы баллистического построения обеих сис- тем, т. е. достаточно близкие значения параметров орбит их спутников (табл. 8.1);
– общность используемого частотного диапазона, а также общ- ность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую ма- нипуляцию и псевдослучайные последовательности;
– одинаковые принципы синхронизации и измерения навигаци- онных параметров;
116
– схожие по содержанию и хронологии планы создания и совер- шенствования систем;
– готовность правительств США и России предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества.
Таблица 8.1
Сравнительные характеристики СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС
Характеристики
NAVSTAR
ГЛОНАСС
Количество спутников (резерв)
24(3)
24(3)
Количество орбит
6 3
Количество спутников на орбите
4 8
Параметры орбит:
– высота
– наклонение
– период обращения спутника
– тип эфемерид
20183 км
55 0
11 ч 56,9 м элементы
Кеплера
19100 км
64,8 0
11ч 15,7 м геоцентрические координаты
Геодезическая система координат
WGS–84
ПЗ–90.02
Система времени
UTC (USNO)
UTC (US)
Несущие частоты рабочих сигналов:
– L1 (МГц)
– L2 (МГц)
1574,4 1227,6 1602,6 –1615,5 1246,4–1256,5
Способ разделения сигналов спутника кодовый частотный
Период повторения кодовой последо- вательности
1 мс
1 мс
Скорость передачи информации
50 бит/с
50 бит/с
Расчёты показывают, что при совместном использовании СНС
NAVSTAR и ГЛОНАСС только за счет увеличения в зоне радиовиди- мости количества спутников до 16–18 (что ведёт к уменьшению
GDOP, HDOP и VDOP), точность определения координат и времени может быть увеличена в 1,4–1,6 раз. При этом доступность системы достигает 100 %.
Дополнительные преимущества совместного ис- пользования этих систем связаны также с возможностью работы в местах, где ранее сигналы спутников не принимались, и в неблаго- приятные для приёма сигналов промежутки времени. Кроме того, ис- чезают проблемы срыва инициализации системы.
К настоящему времени, помимо теоретических и проектных ра- бот по объединению СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС, достигнуты и оп- ределённые практические результаты. В частности, разработаны и созданы специальные ПИ, принимающие и обрабатывающие сигналы обеих систем. В качестве примеров можно указать ПИ АСН-21М,