 |
Основные элементы спутниковых систем навигации
|
|
|
|
К основным элементам СРНС (Спутниковая радионавигационная система) относятся:
· Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;
· Наземной системы управления и контроля, включающей блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки орбит;
· Приёмного клиентского оборудования («спутниковых навигаторов»), используемого для определения координат (устанавливаются на подвижной состав и т.п.);
· Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.
Технические детали работы систем
Рассмотрим некоторые особенности основных систем спутниковой навигации (NAVSTAR и ГЛОНАСС):
· Обе системы имеют двойное назначение - военное и гражданское, поэтому излучают два сигнала: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. В настоящее время оба сигнала доступны гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в 2002 году и в любой момент может быть восстановлено).
· Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте 20 000 км. Спутники ГЛОНАСС (кодовое имя «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте 19 100 км. Hоминальное количество спутников в обоих системах - 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-г. и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-г., но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идет её активное восстановление.
|
|
|
· Обе системы используют сигналы на основе так называемых «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищенность и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.
· В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты - L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности вместе с L1). Для NAVSTAR L1=1575,42 и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, 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. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 - только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа в случае необходимости).
· Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для инициализации приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый по частям в течение нескольких минут. 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 - так называемый «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении навигатора, либо если он долго не использовался, или был перемещён на большое расстояние в выключенном состоянии.
Принцип работы систем спутниковой навигации
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, положение которых известно заранее с большой точностью. Таблица положений спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый навигатор до начала измерений. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений на основе альманаха можно вычислить положение объекта в пространстве.
|
|
|
Положим, что нам известно точное расстояние до спутника X – 10000 км. Это означает, что мы находимся на воображаемой сфере радиусом в 10 000 км с центром, совпадающим со спутником X. Если расстояние от нас до спутника Y составляет в этот же момент времени 15000 км, это еще больше сократит пространство, где мы можем находиться, поскольку единственная область, где мы можем быть на расстоянии в 10 000 км от спутника X и 15 000 км от спутника Y, есть линия пересечения двух сфер - окружность. Если мы произведем измерение дальности еще и до третьего спутника (например, 12 000 км), то сможем свести свое возможное местоположение до двух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 12 000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 10 000 и 15 000 км. Одна из двух точек отбрасывается как неправдоподобное решение.
Система спутниковой навигации работает, измеряя время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Если мы можем точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы его получили, можно будет выяснить, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость сигнала на время, мы сможем получить искомое расстояние от нас до спутника.
На борту спутников установлены атомные часы. К счастью, присутствие таких же часов в наземных навигаторах вовсе не требуется, так как существует способ обойтись часами умеренной точности - достаточно произвести измерение дальности еще до одного (четвертого) спутника. Три точных измерения определяют положение точки в пространстве, а четыре неточных могут исключить относительное смещение шкалы времени приемника.
Движение спутников системы навигации находится под контролем наземных станций слежения. Спутники проходят над контрольными наземными станциями дважды в сутки, что дает возможность точно измерять их высоту, положение и скорость.
|
|
|
Наземные станции определяют параметры движения спутника и передают эту информацию обратно на него, заменяя в памяти бортового компьютера прежние данные. Поэтому спутники всегда передают информационные сообщения о своем точном положении на орбите. Все виды наземных приемников используют эту информацию, для того чтобы установить точное положение спутника.
В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:
· Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
· Неоднородность атмосферы (ионосферы), из-за которой скорость распространения радиоволн может меняться в определённых пределах;
· Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
· Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.
|
|
|
