Предмет и задачи космической навигации (КН) (стр. 9 )

Система пассивная или активная: пассивная система передает сигналы, а пользователь определяет свое положение просто «слушая» их. Активная система взаимодействует с каждым пользователем (то-есть, пользователю может потребоваться запросить систему). Активная система может работать с фиксированным, конечным числом пользователей. Кроме того, военный пользователь может не желать выдавать свое положение при излучении сигналов.

Метод позиционирования: доплеровский, гиперболический или трилатерация. В 1970-е годы технология часов была улучшена до уровня, при котором синхронизированные сигналы можно было бы передавать со спутников. Логическим выбором стала трилатерация. Поэтому о GPS и ГЛОНАСС говорят как о пассивных дальномерных системах.

Импульсные сигналы или непрерывная волна. Импульсные сигналы могут согласовываться со временем, чтобы каждый спутник имел свое время передачи. Использование сигналов широкого спектра позволяет производить одновременную передачу сигналов на одной радио частоте. Система GPS представляет собой первое серьезное применение этого использования сигналов, называемое концепцией множественного доступа с разделением по кодам (CDMA). В системе ГЛОНАСС было выбрано разделение сигналов по частоте (FDMA), то-есть каждый спутник ведет передачи на своей частоте.

Частота несущих колебаний: компромисс был установлен на L-диапазоне. Для системы GPS необходима полоса спектра в 20 МГц, а L-диапазон был сравнительно не шумный в начале 1970-х (но не позднее). На более высоких частотах ошибка расстояния из-за ионосферы уменьшается, но пространственные потери (затухание сигнала из-за пройденного расстояния) и атмосферное затухание увеличиваются.

Отмечаются еще четыре технологии, которые предопределили выбор трилатерации в качестве метода позиционирования в современных навигационных системах, это:

- стабильные космические платформы на предсказуемых орбитах,

- стабильные генераторы частоты (часы),

- использование сигналов широкого спектра,

- интегральные схемы.

Напомним, что трилатерация требует измерения расстояний до трех объектов с известными положениями. В современных СРНС объектами на известных положениях являются спутники, которые движутся в космическом пространстве со скоростью около 4 км/с. Тем не менее, положение спутника в любой момент можно оценить с погрешностью не хуже, чем несколько метров, основываясь на предсказаниях, сделанных ранее за 1 – 2 суток. Расстояние между приемником и спутником измеряется по времени прохождения сигнала от спутника к пользователю. Точное измерение времени прохождения выполняется по передаваемым сигналам с точными временными отметками в соответствии с почти постоянными и постоянно синхронизируемыми часами, установленными на борту спутника. Точность этих отметок обеспечивается посылаемыми сигналами с широкой полосой пропускания (сигналы с широким спектром). Наконец, достижения в электронике позволяют сделать этот приемник легким, компактным и не слишком дорогим.

Чтобы получить истинное время прохождения сигнала от спутника до приемника, часы на спутнике и в приемнике должны быть синхронизированными. К счастью, это тяжелое требование можно легко обойти, если в приемнике использовать недорогой кварцевый генератор. Смещение шкалы часов приемника в момент измерений влияет на наблюдаемое время прохождения одинаково для всех спутников. Соответствующие измеренные расстояния оказываются все одинаково либо слишком короткими, либо слишком длинными, поэтому их принято называть псевдодальностями. Поэтому смещение часов приемника становится четвертым неизвестным, подлежащим определению, в дополнение к трем координатам положения. Для этого пользователю необходимо иметь зоне видимости не менее четырех спутников.

2.7.4  2.6.2 Учет требований пользователей системы

1. Система должна удовлетворять как военным, так и гражданским пользователям:

- точность от десятков метров до миллиметров,

- система должна давать и координаты, и скорость, и время одинаково хорошо,

- система должна обеспечивать пользователей на земле, на воде, в воздухе и в космосе.

Для этого не нужно изменять основные конфигурации системы или режимы ее работы. Это важно для оправдания огромной стоимости системы.

2. Низкая стоимость и простота операций. Отсюда следует минимальная сложность операций при обращении к системе, компактная и легкая аппаратура с низким энергопотреблением. Это важно также для того, чтобы система была принята геодезистами по всему земному шару.

3. Неограниченный доступ для всех пользователей: очень важна привлекательность выполнения технологий позиционирования. Для этого система должна обеспечивать глобальный охват в течение 24 часов в сутки и быть всепогодной.

4. Удовлетворять требованиям военных к определению положений, таким как:

- удобство для всех видов носителей в воздухе (от ракеты до вертолета), на море, на земле (и для судов, и для ручного применения), и в космосе (на снарядах или спутниках),

- позиционирование в реальном времени, возможность определять скорость и время,

- результаты должны получаться в единой системе координат,

- уровень точности в реальном времени должен быть контролируемым невоенными пользователями,

- устойчивость к помехам и другим последствиям неблагоприятных условий,

- независимость системы от пользователя, следовательно, отсутствие требований по передаче каких-либо дополнительных сигналов.

Важность военных применений является одним из сильнейших факторов при обсуждении и принятии решений по разработке спутниковых навигационных систем.

Выполнение приведенных выше требований подразумевает:

- спутники должны размещаться на подходящих орбитах, чтобы они могли обслуживать как можно больше пользователей в любом месте на Земле,

- система опорных координат, к которой относятся координаты спутников, определяется операторами системы,

- после замены наземных геодезических опорных пунктов на спутники хорошо отработанные методы классических измерений и навигации могут стать неверными,

- определение положения обычно производится в трехмерной системе координат на основе геометрических принципов построения сетей, в то время как в геодезии производится раздельное определение плановых координат и высот на основе физических принципов измерений (относительно геоида),

- координаты опорных станций, вращающихся на орбитах, изменяются со временем (и должны постоянно обновляться),

- на качество определения положения влияют ошибки в координатах спутников (в эфемеридах), и в самих измерениях,

- опорные пункты, вращающиеся на орбитах, невидимы для пользователя,

- пользователи не должны иметь прямую заинтересованность в системе (или в контроле над ней).

Все спутниковые системы разрабатываются, поддерживаются и контролируются одним государством (обычно министерством обороны страны):

- система управления подчиняется военному министерству одной страны и влияние большинства пользователей незначительное,

- решения об изменениях в системе координат делаются, как правило, без учета мнения пользователей,

- если система управления противопоставляется определенному классу пользователей (например, по политическим мотивам), то для таких пользователей могут вводиться ограничения в доступе к системе или к ее работе.

Военные пользователи используют все возможности СРНС, гражданские пользователи (и GPS, и ГЛОНАСС) в некоторой степени ограничены, например, в использовании точных дальномерных кодов.

2.6.3 Развертывание спутниковой системы

Есть важная особенность в замене сотен тысяч наземных геодезических опорных пунктов (разделенных расстояниями от нескольких километров до тысяч километров) на «вращающиеся вокруг Земли опорные пункты»:

- чтобы обеспечить глобальную 24-часовую службу, необходимо развернуть созвездие спутников. Однако, поскольку спутники дорогие, их полное число должно быть минимальным,

- хороший охват территории дает большая высота спутников, но геометрия спутник-земля может быть слабой, если не делать наблюдения на очень больших расстояниях,

- малая высота спутников потребует много спутников, чтобы обеспечить 24-часовой охват. Кроме того, спутники будут проходить над станциями с большой скоростью и будут наблюдаться в короткие периоды,

- необходим компромисс в отношении высоты полета, так как это прямо влияет на доступность системы пользователем,

- чтобы гарантировать надежность, избыточность в системе, в каждый момент времени должно быть больше спутников, чем минимально необходимо пользователю.

Выбор орбитальной группировки и типов орбит основан на следующих соображениях: каждому пользователю, чтобы определить свое положение, необходимо иметь над горизонтом четыре спутника (или более). Удовлетворение такого требования по всему земному шару необходимо выполнять экономически эффективно. Выбор орбит определяет конструкцию спутника, число спутников, стоимость запуска и эксплуатации.

Низковысотные околоземные орбиты (LEO) с высотой не более 2000 км обеспечивают видимость в пределах 10-20 минут, и приемник должен постоянно захватывать сигналы новых спутников. Радиальная скорость и доплеровский сдвиг очень большие. Возмущения в орбитах от атмосферы также очень большие и трудно предсказуемые. Чтобы обеспечить навигацию в глобальном масштабе потребуется орбитальная группировка из 100-200 спутников. Положительные свойства для средневысотных орбит – меньшая стоимость запуска и меньшая мощность (и стоимость) передатчиков, устанавливаемых на спутниках.

Средневысотные орбиты (MEO) при высотах 5000 – 20000 км и 2 – 4 оборотах за сутки, когда спутники видны на каждом пункте несколько часов при каждом прохождении. Запуск обходится дороже, чем для низковысотных спутников, но глобальный охват решается с помощью 24 – 36 спутников.

Спутники с геостационарными орбитами (GEO) имеют высоту 36000 км, они вращаются в плоскости экватора со скоростью вращения Земли, зависнув над некоторой точкой поверхности. Глобальный охват можно обеспечить малым числом спутников. Отрицательные особенности геостационарных спутников – плохое обслуживание высоких широт (за полярным кругом) и высокая стоимость запусков [Misra and Eng 2001].

Этим соображения привели к выбору средневысотных орбит для систем ГЛОНАСС и GPS с 24 спутниками. Близкие характеристики имеет также система Галилео. Однако, следует заметить, что у каждой из навигационных систем имеются свои оригинальные решения.

2.6.4 Системы координат

Поскольку система координат определяется координатами станций наблюдений спутников, расположенных либо по всему земному шару (в системе GPS), либо на обширной территории (в системе ГЛОНАСС), то:

- необходимо обеспечить общеземную (глобальную) геодезическую систему координат,

- национальные системы координат не подходят для спутникового позиционирования, за исключением случаев, когда результаты спутниковых измерений необходимо сравнивать с результатами обычных наземных измерений,

- многие государства не обладают спутниковыми системами координат. Если операторы системы собираются изменить каким-либо образом спутниковую систему координат, то пользователи должны приспосабливаться к этим изменениям.

- вычисление спутниковых эфемерид является важной частью в поддержании глобальной спутниковой системы координат, и является обычной обязанностью системных операторов. Качество эфемерид влияет на точность и надежность результатов позиционирования, получаемых пользователем.

Военные геодезисты США и России (СССР) для функционирования своих навигационных систем независимо создали общеземные системы координат. Координаты американских спутников задаются в системе WGS-84, российских спутников – в системе ПЗ-90. Когда стали разрабатываться приемники, работающие по американским и советским спутникам, потребовались параметры связи этих двух систем координат. Задача эта была успешно решена и в США, и в России (подробнее о системах координат см. в главе 3).

2.6.5 Метод измерений расстояний до спутников и принципы позиционирования в СРНС

Спутниковые системы оказывают следующее влияние на проектирование пользовательского оборудования:

- спутники не видны глазом, следовательно, пользователь не имеет прямого «контакта» с системой, и его действия похожи на работу с разновидностью «черного ящика»,

- чтобы повысить применение спутниковой системы, пользовательское оборудование должно быть сравнительно дешевым. Это имеет следующие последствия:

- самое сложное и дорогое оборудование должно размещаться по возможности на спутниках (например, высокостабильные генераторы частоты),

- в приемниках должны использоваться всенаправленные антенны,

- приемники должны быть малыми, с низким энергопотреблением, в основном «пассивно» принимая сигналы и не требуя передачи сигналов на спутники,

- на пользовательском оборудовании должно выполняться много вычислений, что усиливает природу «черного ящика» системы,

- самая подходящая технология базируется на микроволновых, однопутных измерениях дальностей. Это также удовлетворяет требованиям для всепогодных, круглосуточных измерений, а также требованиям военных о недопущении несанкционированного использования врагом.

Спутниковые системы будут иметь важное применение для пользователей, поскольку:

- положения будут определяться в трех измерениях,

- искусственное разделение действий по плановому и высотному позиционированию больше не будет иметь значения,

- проект методики по определению положения больше не будет основываться на предыдущем представлении о «геометрии» наземной сети,

- координаты орбитальных контрольных станций должны быть легко доступными пользователям. Это делается наиболее подходящим образом через передачу эфемерид спутников с самими сигналами.

5 СТРУКТУРА СРНС

5.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРУКТУРЕ СРНС

Архитектура американской и российской радио навигационных систем GPS (NAVSTAR) и ГЛОНАСС во многом подобна. Названия систем расшифровываются следующим образом:

- GPS – Global Positioning System – Глобальная система позиционирования,

- ГЛОНАСС - ГЛОбальная Спутниковая Система.

Другое название системы GPS – NAVSTAR, акроним от Navigation Satellite Timing and Ranging, то-есть Определение времени и расстояний по навигационным спутникам.

Система GPS состоит из трех сегментов: Космического сегмента, Контрольного сегмента и Сегмента пользователей. Космический сегмент включает спутники, а Контрольный сегмент имеет дело с управлением операциями спутников. Работа обоих этих сегментов управляет Министерство обороны США. За использование системы гражданскими потребителями несет ответственность Министерство транспорта США. Пользовательский сегмент охватывает деятельность, связанную с разработкой военного и гражданского пользовательского оборудования (т. е. приемников). Разработка приемников и служб в гражданском секторе в основном принадлежит рыночным силам.

Российская система состоит из подсистемы космических аппаратов (ПКА), подсистемы контроля и управления (ПКУ) и подсистемы аппаратуры пользователей (ПАП) [ГЛОНАСС 2002]. Иногда в литературе термин «подсистема» заменятся на термины «сегмент» или «сектор». Система ГЛОНАСС находится под управлением Министерства Обороны РФ (Ракетные войска специального назначения, РВСН). В феврале 1999 г. распоряжением президента РФ системе ГЛОНАСС придан статус системы двойного назначения (военного и гражданского). Вопросами гражданского применения системы ведает Российское авиационно-космическое агентство, а координацией вопросов развития и использования занимается Межведомственная комиссия «Интернавигация» и межведомственная оперативная группа, образованная по Постановлению Правительства РФ. Основным разработчиком по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики им. академика (г. Красноярск). Разработчиком и изготовителем спутников системы ГЛОНАСС является Производственное объединение «Полет» (ПО «Полет», г. Омск).

Основным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИ КП, а ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей (НАП) назначен Российский институт радионавигации и времени (РИРВ) [Болдин и др. 1999; Соловьев 2000; Яценков 2005].

5.2 СИСТЕМА GPS NAVSTAR

5.2.1 Космический сегмент GPS

В космический сегмент GPS входит созвездие спутников (орбитальная группировка) и космодром, с которого они запускаются. Основные функции спутников:

- прием и хранение данных, передаваемых контрольным сегментом,

- поддержание точного времени посредством нескольких бортовых атомных стандартов частоты,

- передача информации и сигналов пользователю на одном или на двух частотных L - диапазонах.

Орбитальная группировка GPS состоит из 24 спутников на почти круговых орбитах с радиусом 26560 км, периодом около 12 часов и с почти постоянными трассами. ( рис. 5.1). Спутники размещаются на шести орбитальных плоскостях с наклонением 55º, на четырех рабочих точках (слотах), неравномерно распределенных на каждой орбите. Идентификация спутников может производиться по номеру запуска в системе GPS (SVN номер), по номеру псевдошумовой последовательности PRN, по номеру в каталоге NASA, по международному номеру, а также по положению в созвездии. В последнем случае используется двухсимвольный код: буква (от А до F) означает орбитальную плоскость, а цифра – номер спутника на плоскости (от 1 до 4 в полном созвездии). В каждой орбитальной плоскости имеется запасные слоты, для которых припасены обозначения А5, В5 и т. д. Система может поддерживать на орбитах созвездие вплоть до 30 спутников.

Рис. 5.1. Орбитальная группировка GPS NAVSTAR.

Начальный пакет из 10 прототипов экспериментальных спутников, названных Блок I, был запущен между 1978 и 1985 г. и использовался для демонстрации возможностей GPS. За прототипами последовали модели, названные Блок II и Блок IIА (А – от advanced, усовершенствованный). Первый спутник из этой серии был запущен в феврале 1989 г. (рис. 5.2). В последующие шесть лет система была доведена до 24 спутников Блоков II/IIA и в апреле 1995 г. была объявлена полностью действующей. Следующее поколение спутников, названных Блок IIR (R – от replenishment, пополнение), будет поддерживать созвездие, по крайней мере, до 2005 г.

Новое поколение спутников GPS, названных Блок IIF (F – от follow on, продолжение), первые шесть из них планировалось запустить в 2003 г. Министерство обороны подписало в 1996 г. контракт с Rockwell International (сейчас часть компании Boeing) на шесть спутников Блока IIF с возможностью приобретения до 27 штук и более. В начале 2000 г. было объявлено об изменении курса. Оказалось, что МО США планирует приобрести только 12 спутников IIF. Решение было мотивировано изменениями в требованиях в соответствии с Планом модернизации GPS, в котором объявлялось о двух новых сигналах, изменениях в военных сигналах и способности посылать в нужный район сигнал повышенной мощности. Эти изменения должны потребовать существенных модификаций в проекте Блока IIF. Министерство обороны начинает процесс ликвидации прежних обязательств, накапливая новое поколение спутников, называемое GPS III.

а б

Рис. 5.2. (а) Спутник GPS Блока IIA, (б) спутник Блока IIR [http://www. ].

Каждый новый блок спутников GPS проектировался с более высокими возможностями, большим сроком функционирования и, стоит отметить, с более низкой стоимостью (табл. 5.1 [Misra and Enge 2001]).

Таблица 5.1. Информация о спутниках GPS.

	БлокII/IIA	Блок IIR	Блок IIF
Количество	28	21	12
Первый запуск	1989	1997	2005
Масса (кг)	900	1100	1700
Мощность от солнечных батарей(W)	1100	1700	2900
Срок жизни (лет)	7.5 *	10 *	15 *
Стоимость за единицу	$43M	$30M	$28M *

* Проектные данные.

Хотя проектное созвездие спутников GPS состояло из 24 спутников, число активных спутников на орбитах с 1995 г. превышало эту цифру. Число работающих спутников в любой момент может изменяться из-за требований поддержки системы. Спутники могут на короткое, заранее объявленное время убираться с линии. Внезапные выходы из строя могут уменьшать созвездие, но спутники GPS достаточно надежные, и срок их жизни значительно превышает расчетный. Из 10 спутников Блока II/IIA (срок жизни 7.5 лет), запущенных в г. г., все, за исключением одного были в работе на начало 2000 г. Сделанные на высоком уровне заявления дают уверенность сообществу пользователей в том, что DoD намерено полностью поддерживать созвездие из 24 спутников.

Спутники являются носителями радиопередатчиков с антеннами, атомных часов, компьютеров и разнообразного вспомогательного оборудования (солнечных батарей, системы стабилизации, реактивные двигатели для корректировки орбиты и т. п.). Передачи со спутников, содержащие дальномерные коды и навигационные данные, позволяют пользователю измерять псевдодальности и оценивать их положения только в пассивном режиме прослушивания.

В таблице 5.1 приведена информация о спутниках GPS по состоянию на 22 февраля 2004 г. (информация сайта http://www. navcen. uscg. gov). В первом столбце таблицы дается номер спутника SVN в системе GPS, а во втором – номер его псевдошумового сигнала PRN. Как видно, рабочее созвездие включало 28 спутников из блоков II, IIA и IIR. На рис. 5.3 показана соответствующая схема расположения спутников на орбитальных плоскостях, составленная на основании альманаха системы.

Таблица 5.2. Информация о космическом сегменте системы GPS по состоянию на 22 февраля 2004 г.

№ НКА (SVN)	№ PRN	Тип часов	Дата запуска	Начало использования	Плоскость/ слот	Приме-чание
Блок II
13	02	Cs	10.06.89	10.08.89	B5
17	17	Rb	11.12.89	06.01.90	D6
15	15	Cs	01.10.90	15.10.90	D5
Блок IIA
23	23	Rb	26.11.90	10.12.90	F5	A
24	24	Cs	04.07.91	30.08.91	D1
25	25	Cs	23.02.92	24.03. 92	A2
26	26	Rb	07.07.92	23.07.92	F2
27	27	Rb	09.09.92	30.09.92	A4
32	01	Cs	22.11.92	11.12.92	F4
29	29	Rb	18.12.92	05.01.93	F5
22	22	Rb	03.02.93	04.04.93	E2	B
31	31	Rb	30.03.93	13.04.93	C3
37	07	Rb	13.05.93	12.06.93	C4
39	09	Cs	26.06.93	20.07.93	A1
35	05	Cs	30.08.93	28.09.93	B4	C
34	04	Rb	26.10.93	22.11.93	D4
36	06	Cs	10.03.94	28.03.94	C1
33	03	Cs	28.03.96	09.04.96	C2
40	10	Cs	16.07.96	15.08.96	E3
30	30	Rb	12.09.96	01.10.96	B2
38	08	Rb	06.11.97	18.12.97	A3
Блок IIR
43	13	Rb	23.07.97	31.01.98	F3
46	11	Rb	07.10.99	03.01.00	D2
51	20	Rb	11.05.00	01.06.00	E1
44	28	Rb	16.07.00	17.08.00	B3
41	14	Rb	10.11.00	10.12.00	F1
54	18	Rb	30.01.01	15.02.01	E4
56	16	Rb	29.01.03	18.02.03	B1
45	21	Rb	31.03.03	12.04.03	D3

Общие замечания по таблице: