12.3. Спутниковые навигационные системы.

С 1993 года функционирует американская навигационная система GPS NAVSTAR (Global Positioning System Navigation Satellite with Time And Ranging). Программа GPS NAVSTAR разработана и осуществлена фирмой Rockwell. Аналогичная российская навигационная система ГЛОНАСС развернута лишь частично.

Система GPS NAVSTAR состоит из следующих основных элементов:

• космического сегмента, включающего 24 искусственных спутника земли, на околоземных орбитах,

• наземного сегмента, образованного станциями слежения,

• аппаратуры потребителя: GPS-приемников.

Орбиты ИСЗ NAVSTAR расположены таким образом, что GPS-приемники позволяют определять собственное местоположение почти на всей территории Земли (~ до 80-х градусов широт). Круговые орбиты спутников имеют высоту 20000км и размещены равномерно в шести плоскостях, наклоненных на ~60^о к экваториальной плоскости, что иллюстрирует рис.12.4. Временной интервал между спутниками составляет 1.5часа.

Рис.12.4. Орбитальная группировка ИСЗ навигационной системы.

Для передачи данных от ИСЗ используется шумоподобный сигнал малой мощности. В основу определения координат положен метод триангуляции. Используя специальный алгоритм, GPS-приемник выбирает несколько ИСЗ, пригодных для вычисления своего местоположения в двух- или трехмерной системе координат. Измеряя задержку сигналов, GPS-приемник вычисляет расстояния до каждого из ИСЗ и решает геометрическую задачу, определяя собственное положение как точку пересечения сфер с соответствующими радиусами. Для режима 2D-навигации достаточно устойчивого приема сигналов от трех ИСЗ, ошибка обычно не превышает 100 метров.

GPS-приемник реализован на основе специального микропроцессора и низкопрофильных пассивных ВЧ - антенн. Приемники потребляют ~1Вт. Типичный GPS-приемник осуществляет цикл определения координат раз в секунду, имеет интерфейс для связи с ЭВМ и другими внешними устройствами (как правило, RS232), и работает по стандартному протоколу (NMEA-0183). Кроме того, в состав приемника может входить ЖКМ для отображения получаемой информации. Структура GPS-приемника показана на рис.12.5.

Рис.12.5. Структура GPS-приемника.

Антенная система АС принимает сигналы видимой группировки ИСЗ. Обработку принятых сигналов с учетом их частотных и фазовых параметров осуществляет блок высокочастотного тракта ВЧТ. Математическую обработку навигационной информации проводит контроллер навигационного приемника КНП, используя залаженные алгоритмы решения навигационных задач АРНЗ. Результаты вычислений накапливаются в ОЗУ и могут передаваться в ЭВМ через интерфейс внешних устройств ИВУ.

Для исключения ионосферной ошибки применяется двухчастотный способ измерений: навигационная информация передается на частотах: 1575,42 МГц и 1227,6 МГц, которые модулируются одинаковыми двоичными кодами.

Навигационная информация, транслируемая ИСЗ, форматируется в виде кадров, объемом по 1500 бит и с периодом повторения равным 30сек. Кадр содержит: поправку временной шкалы данного ИСЗ и его эфемериды, 1/25 часть альманаха телеметрической информации, ключевые слова и поправку на распространение радиоволн. Погрешность предсказания эфемерид < 6м, погрешность сдвига временной шкалы < 8нс, что обеспечивает погрешность местоопределения < 10м. Однако, данная точность доступна только для приемников, имеющих возможность дешифрирования закрытой части кадра. Высокоточная информация защищается шифровальным ключом, имеющим недельный период. Открытая часть кадра позволяет определять координаты с точность 100м.

Навигационный приемник выполняет следующие функции:

• выбирает из совокупности видимых ИСЗ рабочее созвездие;

• проводит расчет для выбранной четверки ИСЗ ожидаемых значений угловых координат, дальности и радиальной скорости;

• идентифицирует сигналы ИСЗ по пространству, временной задержке, доплеровскому смещению частоты и по кодовому номеру ИСЗ;

• осуществляет слежение за навигационными сигналами,

• декодирует эфемероидную информацию;

• измеряет временные задержки сигналов и их доплеровские смещения;

• обрабатывает измерительную и эфемероидную информацию от всех ИСЗ и вычисляет координаты и составляющие скорости приемника;

• формирует полный телеметрический альманах ИСЗ по 25 кадрам;

• вычисляет оценку точности проведенного навигационного решения.

Наземный и космический сегменты навигационной системы решают следующие задачи:

• синхронизация генераторов точного времени всех ИСЗ с наземным эталоном;

• формирование навигационных кодов и модуляция ими радиосигналов;

• излучение навигационных сигналов ИСЗ в установленном порядке.

Для защиты навигационной информации используется псевдошумовой фазомодулированный сигнал, представляющий из себя код Голда. Каждый информационный бит кодируется 20 битами, сформированными на основе этих кодов. Правило кодирования имеет вид:

G(t)=G₁(t) G₂(t+m_i T),

где i - номер ИСЗ, G₁(x)=1+x³+x¹⁰, G₂(x)=1+x²+x³+x⁶+x⁸+x⁹+x¹⁰.

Особый практический интерес представляет комплексное использование нескольких GPS-приемников, дающих информацию о своем местоположении (координаты в какой-либо геометрической проекции, скорость, курс и точное время). Такие комплексы составляют основу для построения диспетчерских систем на базе GPS, позволяющих контролировать из единого центра (диспетчерский пункт — ДП) перемещение подвижных объектов (ПО) в рамках определенной территории. Наиболее распространенная схема представляет собой систему локальной радиосвязи для передачи данных ПО — ДП и программное обеспечение ДП, предназначенное для оперативного отображения обстановки.

Полноценный навигационный комплекс (НК) строится на основе сети ЭВМ, объединяющей несколько диспетчерских пунктов, обслуживающих до двух тысяч ПО. В его задачи входит постоянное слежение за всеми контролируемыми ПО, регистрация информации движения, контроль (например, задача вхождения в заданный район, соблюдение расписания и т.п.).

Важнейшим элементом НК является база электронных карт и их форматов, распознаваемых системой. Карты могут поставляться с системой, быть жестко «зашиты» в ней или легко добавляться в систему ПО или ДП после приобретения у поставщика. Электронная карта — представление бумажной карты в виде цифрового массива внутри компьютера. Перевод бумажной карты в ее электронный вариант — очень трудоемкая и длительная операция, однако, однажды проведенная, она дает множество преимуществ. Электронные карты хранятся обычно в векторном виде, что дает возможность плавно изменять масштаб карты. Навигационные системы способны отображать на экране более одной карты, облегчая работу штурману или диспетчеру.

Важной частью любого НК является работа с различными устройствами с целью установления двусторонней связи между системой и подвижным объектом. Среди таких устройств может быть GPS-модем, различные РЛС, дифференциальные станции и т.п. Оперативное согласование, контроль параметров работы и управление осуществляется посредством группы ЭМВ, объединенных в специальную навигационную сеть. Такие навигационные системы находят широкое применение в управлении наземным, морским и воздушным транспортом.