29. Назначение, задачи и основные элементы снс. Основные потребители навигационной информации.

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

Основными элементами спутниковой системы являются Рис.1): орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; приемное клиентское оборудование, используемое для определения координат; информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Рис.1. Структура спутниковой навигационной системы

Орбитальная группировка строится таким образом, чтобы обеспечить непрерывное круглосуточное покрытие большей части территории земного шара, включая океанские и морские просторы, воздушное пространство и ближний космос. Структура и состав орбитальных группировок GPS, ГЛОНАСС и Galileo приведены в таблице (Рис.2).

30. Состав и общие характеристики СНС «ГЛОНАСС» и GPS.

31. Частоты и виды дальномерных кодов, применяемых в СНС.

32. Общие принципы и отличительные особенности построения СНС «ГЛОНАСС» и GPS.

33. Параметры орбит СНС.

34. Факторы, влияющие на точность навигации.

Системы Показатель	ГЛОНАСС	Навстар (GPS)	Galileo
Число КА в полной орбитальной группировке	24	24	30
Число орбитальных плоскостей	3	6	3
Число КА в каждой плоскости	8	4	9
Наклон орбиты	64,8°	55°	56°
Высота орбиты в апогее, км	19 130	20 180	23 222
Период обращения спутника	11 ч 15 мин 44 с	11 ч 58 мин 00 с	14 ч
Система координат	ПЗ-90	WGS-84	-
Масса навигационного КА, кг	1 450	1 055	700
Мощности солнечных батарей	1 250 Вт	450 Вт	-
Срок активного существования, год	3	7,5	10
Средства вывода КА на орбиту	«Протон-К/ДМ»	Delta 2	Союз ФГ
Число КА, выводимых за один запуск	3	1	1
Космодром	Байконур (Казахстан)	Мыс Канаверал	Байконур
Эталонное время	UTC (SU)	UTC (NO)	UTC

Рис.2. Сравнительные характеристики ГЛОНАСС, GPS, Galileo

Как видно из таблицы, в системе ГЛОНАСС и Galileo орбиты КА сдвинуты друг относительно друга по долготе восходящего узла на 120 градусов, в GPS – на 60 град. У системы ГЛОНАСС больше возможности по обслуживанию северных широт, у GPS – средних. Построение орбитальных группировок GPS и ГЛОНАСС приведены на рис.3.

Навигационная система работает по беззапросному методу, в соответствии с которым аппаратура объектов навигации не отправляют на борт КА никаких запросов, а борт излучает посылки самостоятельно. Такой метод обеспечивает навигационное обеспечение неограниченному количеству абонентов.

Каждый спутник непрерывно излучает в направлении Земли информационные посылки, содержащие основную информацию:

- прогнозные значения параметров своей орбиты;

- сигналы синхронизации и точное время отправки посылки (дальномерный код);

- данные по ионосфере;

- информация о состоянии спутника.

а) GPS б) ГЛОНАСС

Рис.3. Группировки GPS и ГЛОНАСС.

Прогнозные значения параметров орбиты КА (эфемериды) рассчитываются наземной системой управления и передаются на борты КА не реже одного раза в сутки. Расчет параметров производится на получасовые интервалы.

И NAVSTAR (GPS), и ГЛОНАСС имеют двойное назначение – военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищенность и надежность при невысокой мощности излучения передатчиков.

В каждой системе есть две несущих базовые частоты – L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 – только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа). Для идентификации конкретного КА в GPS используется кодовое разделение сигналов, а в ГЛОHАСС частотное, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.

Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы абонентского оборудования. В эту категорию входит информация о всей спутниковой группировке (альманах), передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приемного устройства может быть достаточно быстрым (порядка 1-й минуты), если устройство содержит актуальный альманах – это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приемник вынужден получать полный альманах – т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приемника, либо если он долго не использовался.

Приемник объекта, координаты которого необходимо определить, далее – объект, принимает посылку от нескольких спутников и решает так называемую навигационную задачу, то есть определяет времена задержки сигналов от момента их передачи каждым КА до момента приема объектом, рассчитывает расстояние до каждого КА, координаты своего местоположения и, при необходимости, свою скорость движения.

Т.о. принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и, если он не устарел, – мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своей посылке весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на постоянстве и известности скорости распространения радиоволн, которая приближенно равна скорости света (Рис.4).

Сигнал

сссс

Рис.4. Измерение времени распространения сигнала.

Зная эту скорость и измерив время движения сигнала от КА до приемника, можно вычислить расстояние до КА. Для измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своей посылки, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты объекта.

Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определенный промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.

Возникает вопрос: откуда наземная система управления берет параметры орбит группировки КА? В состав системы входят специальные контрольные станции, оснащенные точными часами и многоканальными приемниками. Координаты этих станций известны с высокой точностью. Сразу несколько станций принимают от одного КА навигационные посылки и на основе полученных данных решается задача, обратная навигационной: определяется точное местоположение КА, и на этой основе - параметры его орбиты. Это необходимо также для уточнения параметров орбит КА.

На точность определения координат объектов навигации и их скорости оказывают влияние следующие факторы:

- изменение параметров орбиты КА вследствие ряда возмущающих факторов (гравитационные поля других планет, несферичность Земли, отсутствие полного вакуума и пр.);

- низкая по сравнению с бортовым точность шкалы времени навигационных приемников (кварцевые часы);

- отклонение скорости распространения сигнала от расчетной (скорость света) из-за влияния ионосферы и тропосферы.

Возникающие в результате вышеизложенных факторов ошибки в определении координат объектов приходится минимизировать за счет оригинальных технических решений, о которых пойдет речь ниже.

Для решения навигационной задачи важное значение имеют шкалы времени и системы координат.