Лекция 1. Общие сведения о спутниковых навигационных системах.

1. Понятие спутниковой навигации. Связь с другими науками и дисциплинами. 2. Этапы развития спутниковой навигации. 3. Принципы определения местоположения с помощью спутниковых систем. 4. Технические детали работы спутниковых систем.

1. Понятие спутниковой навигации. Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования. Предназначена для определения местоположения (географических координат высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения) для наземных, водных и воздушных объектов.

Координаты пунктов (объектов) нужны не только геодезистам, но и морякам, авиаторам, военным, участникам различных экспедиций и т.д. Раньше для создания геодезической основы приходилось строить дорогостоящие сети различных конфигураций, закрепляемые на местности специальными центрами с наружными знаками (пирамидами, сигналами) для обеспечения взаимной видимости между пунктами. Появление спутниковых систем сделало эти работы ненужными.

С помощью только одного спутникового приемника возможно определить координаты объекта с метровой точностью, что достаточно не только для навигационных, но и в ряде случаев для земельно-кадастровых, геологических, мелиоративных и других работ. Применяя два приемника, можно получить сантиметровую и даже миллиметровую точность взаимного положения пунктов, что обеспечивает решение практически всех геодезических задач.

Спутниковая навигация базируется на электронных методах геодезических измерений, в первую очередь на электронной дальнометрии, которые широко применяют в наземной геодезии. В случае спутниковых измерений эти методы претерпели существенные изменения, обусловленные спецификой прохождения сигналов на космических трассах.

Кроме навигации координаты получаемые, благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях народного хозяйства: Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты и границы земельных участков; Картография: системы навигации используются в гражданской и военной картографии;

Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская так и наземная навигация; Спутниковый мониторинг транс- порта: с помощью систем навигации ведется мониторинг за положение, скоростью автомобилей, контроль за их движением;

Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, это использовалось для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В Росси начата реализация аналогичного проекта – Эра ГЛОНАСС. Тектоника: с помощью СН ведется наблюдение за движением и колебанием плит.

2. Этапы развития спутниковой навигации К первому поколению спутниковых систем позиционирования до 70-х годов можно отнести Транзит (США) и Цикада (СССР). В 1976 г. на вооружение Советской Армии была принята навигационно-связная система "Циклон-Б" в составе шести космических аппаратов "Парус", обращающихся на околополярных орбитах высотой 1000 км.

Через три года была сдана в эксплуатацию спутниковая радионавигационная система "Цикада" в составе четырех КА на орбитах того же класса, что и у КА "Парус". И если первая система использовалась исключительно в интересах МО СССР, то вторая предназначалась, главным образом, для навигации гражданских морских судов.

Оснащение спутниковой навигационной аппаратурой судов торгового флота оказалось очень выгодным. Благодаря повышению точности судовождения удавалось настолько сэкономить время плавания и топливо, что бортовая аппаратура потребителя окупала себя после первого же года эксплуатации. В ходе испытаний этих и предшествовавшей им системы "Циклон" было установлено, что погрешность местоопределения движущегося судна по навигационным сигналам этих спутников составляет 250…300 м.

Кроме невысокой точности получения координат отличались малой оперативность ю. Для достижения высокой точности требовались несколько прохождений ИСЗ в «поле зрения» приемника. При этом перерывы между прохождениями спутников, например в системе «Транзит», составляли полтора часа. Это послужило основанием для разработки систем второго поколения глобальных спутниковых систем.

В декабре 1976 г. было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О развертывании Единой космической навигационной системы ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система)". Это постановление по сути лишь узаконило уже начавшиеся работы по созданию новой системы и определило порядок ее разработки и испытаний.

Система ГЛОНАСС представляет второе поколение российских спутниковых навигационных систем. Создание этой навигационной системы было предопределено потребностями новых потенциальных потребителей, нуждавшихся в высокоточной привязке своего положения во времени и пространстве. В качестве таких потребителей выступали авиация, морской флот, наземные транспортные средства, космические аппараты, а также специальные боевые комплексы (в частности, мобильные МБР средней и большой дальности).

В качестве орбит для новой системы первоначально были выбраны средневысокие (20000 км) полусуточные орбиты. Они обеспечивали оптимальное соотношение между количеством ИСЗ в системе и величиной зоны радио обзора. Однако впоследствии высота рабочей орбиты была уменьшена до км.

Это было сделано исходя из того, что для ИСЗ, имеющих период обращения, равный половине суток, проявляется резонансный эффект, приводящий к достаточно быстрому "разрушению" заданного относительного положения ИСЗ и конфигурации системы в целом. Очевидно, что в этом случае для поддержания системы пришлось бы чаще проводить коррекции орбиты каждого ИСЗ.

При выбранной высоте орбиты для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников их количество в системе должно составлять 18. Однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя. В настоящее время это требование потеряло актуальность, поскольку современная навигационная аппаратура потребителя имеет возможность принимать сигналы от 8 до 12 ИСЗ в зоне радиовидимости одновременно. Это позволяет не заботиться о выборе оптимальной четверки, а просто обрабатывать все принимаемые измерения.

В 1982 г. выведены на орбиты первые ее спутники серии КОСМОС. В 1993 г. система официально принята в эксплуатацию МО РФ. В 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. В ней навигационный режим повышенной точности оставлен для санкционированных пользователей (военных), а режим пониженной («стандартной») точности доступен гражданским пользователям.

GPS (Global Positioning System Глобальную Систему Позиционирования) первоначально называли NAVSTAR (1973). Система находится в ведении Министерства обороны США. Запуск спутников первого блока осуществлен в 1978 г. Эксплуатируется с 1995 г. До недавнего времени система была открыта для гражданского пользования только в режиме пониженной точности. Для режима высокой точности требовался санкционированный доступ. В 2000 г. это ограничение снято, и сейчас GPS открыта для всех и в режиме высокой точности.

Спутники ГЛОНАСС Спутники ГЛОНАСС находятся в трёх плоскостях на высоте примерно км. Спутники NAVSTAR Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно км. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается.

В настоящее время готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации: Бэйдоу - развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

Galileo - Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Она будет включать 30 спутников, расположенных на высоте км и вращающихся в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. Таким образом, с учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет 80 ИСЗ, покрывающих весь земной шар.

IRNSS - Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

3. Принципы определения местоположения с помощью спутниковых систем. Рассмотрим систему GPS как получившую более широкое распространение. Задача определения координат пунктов GPS- методом в принципе решается следующим образом. Запускаются ИСЗ c траекториями в разных плоскостях с таким расчетом, чтобы из любой точки земной поверхности одновременно наблюдалось несколько спутников.

На спутниках устанавливаются передатчики электромагнитных колебаний и атомные часы. За спутниками ведется постоянное наблюдение с опорных пунктов. Если в какой-то момент времени t одновременно измерить расстояние до спутника от нескольких опорных пунктов, то, решив пространственную засечку, можно определить для этого момента времени пространственные координаты спутника. В результате для любого момента времени координаты спутников будут известными.

Для определения координат создаваемого пункта на земной поверхности устанавливают на нем приемник электромагнитных колебаний, с помощью которого одновременно измеряют расстояния до нескольких спутников. С целью определения пространственных прямо- угольных координат Х P, Y P, Z P пункта Р измеряют расстояние R 1 между определяемым пунктом и ИСЗ. где ΔX 1-P = X P -X НИСЗ1 ; ΔY 1-P = Y P -Y НИСЗ1 ; ΔZ 1-P = Z P -Z НИСЗ1

В уравнении три неизвестных параметра пространственные прямоугольные координаты определяемого пункта: Х P, Y P и Z P. Допустим, что одновременно с расстоянием R 1 измерены также расстояния R 2 и R 3 между определяемым пунктом и еще двумя ИСЗ с известными координатами. По результатам этих измерений можно написать соответствующие выражения для расстояний R 2 и R 3.

Будем иметь систему уравнений, в которой число уравнений и число неизвестных равны между собой (три уравнения с тремя неизвестными): Решая данную систему, можно вычислить координаты Х Р, Y P, Z P. Рассмотренное геометрическое построение называют пространственной линейной засечкой. Затем от пространственных координат в мировой системе WGS-84 переходят к системе координат, принятой в данном государстве.

4. Технические детали работы спутниковых систем Рассмотрим некоторые особенности основных систем спутниковой навигации (NAVSTAR и ГЛОНАСС). Обе системы имеют двойное назначение военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения; другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения.

Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для NAVSTAR и России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован. В системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено.

Обе системы используют сигналы на основе так называемых «псевдошумовых последовательностей». Применение которых придаёт высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков. В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты: L1 (стандартной точности); L2 (высокой точности).

NAVSTAR Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. ГЛОНАСС В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц; L2 от 1246,43 до 1256,53 L2 от 1246,43 до 1256,53 МГц. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Альманах - данные, передаваемые спутником GPS, включают в себя информацию о параметрах орбиты каждого спутника, поправки часов, параметры атмосферной задержки. Альманах способствует ускорению захвата спутникового сигнала.

Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) это называется «тёплый старт». Но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.

Для подавления сигналов СНС используются передатчики активных помех. Впервые широкой общественности передатчики разработки российской компании «Авиаконверсия» были представлены в 1997 году на авиасалоне МАКС Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т.н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры).

Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет точность порядка метров без наземной системы корректировки и см с такой системой. Измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка основана либо на геостационарных спутниках, либо на наземных базовых станциях, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

В настоящее время существуют бесплатные американская система WAAS, европейская система EGNOS, японская система MSAS основанные на нескольких передающих коррекции геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!