 |
Навигационные задачи и методы их решения
|
|
|
|
Введение
На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская NAVSTAR. Именно к ним принято относить популярное сокращение GPS.
Общие принципы функционирования СНС
СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR создавались исходя из следующих требований: глобальность, помехозащищенность, непрерывность работы, независимость от погодных условий, рельефа, степени подвижности объекта.
Важнейшие из этих требований:
· доступность - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения;
· целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течении заданного промежутка времени;
· непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.
Под заданным промежутком времени понимают наиболее важный для потребителя (например, посадка лайнера).
ИКАО - учреждение ООН, устанавливающее международные нормы гражданской авиации - с целью повышения безопасности использования авиации, выдвинуло жесткие требования к основным параметрам СНС (от 0,999 до 0,99999).
Основа концепции NAVSTAR и ГЛОНАСС составили: независимость (определение искомых навигационных данных в аппаратуре потребителя) - это усложняет оборудование потребителя, но не значительно; беззапросность (все вычисления в пользовательской аппаратуре производятся на основе пассивно принятых сигналов от НКА с известными орбитальными координатами). Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность (произвольное число потребителей могут использовать СНС в любое время).
|
|
|
Весь результат СНС достигается путем взаимодействия 3 сегментов: космический, управления и потребителей.
Космический сегмент.
Точность местоопределения зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Необходимо, чтобы в зоне видимости потребителя были 3-5 НКА.
На практике орбитальная структура строится так, чтобы их было 6. Есть также резервные спутники.
Основная задача НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения навигационных задач. Состав оборудования НКА: радиопередающее оборудования - для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование - для приема команд от наземных комплексов управления; антенны; бортовой эталон времени; солнечные и аккумуляторные батареи и т.д.
НКА сигналы имеют 2 составляющие: дальномерную (для определения навигационных параметров - дальность до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственная ориентация); служебную (содержит информацию о координатах спутника).и ГЛОНАСС часто называют сетевыми, так как важное значение имеет синхронизация НКА и объединение их в сеть.
Существует в СНС такое понятие, как джаминг (подавление сигнала вражеской СНС, вызывая помехи), спуфинг (подмена сигнала) и антиспуфинг (защитная реакция СНС на спуфинг).
Сегмент управления
Этот сегмент состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС); наземного эталона времени и частоты.
КИС (размещаемые по возможности максимально равномерно) наблюдают за спутниками, принимают навигационные сигналы, осуществляют первичную обработку информации и производят обмен данными с главной станцией. После этого на главной станции математически обрабатывают сигнал и вычисляют корректировки.
|
|
|
Наземный эталон более точный, поэтому с ним синхронизируют все остальные.
Сегмент потребителей
Всех потребителей можно условно разбить на три вида: военные, частные и гражданские.
Состоит он из:
· радиочастотный тракт - в нем происходит прием радиосигналов НКА, их первичная обработка;
· вычислитель - для вторичной обработки (выделение навигационной информации, реализация алгоритма выбора оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя).
Определение координат НКА
При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. КИС расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. Результаты доступных наблюдений подвергаются математической обработке и на основании этих данных составляется прогноз параметров орбиты (эфемериды) вплоть до следующего прогноза.
Эфемериды - спрогнозированные, путем алгебраических вычислений, параметры орбиты и их производные.
Альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС вцелом.
Прецессии - движение по конусу.
Нутации - небольшие колебания.
Геоцентрическая инерционная система координат
Система координат, состоящая из трех осей (X, Y, Z) и точкой начала координат О, находящейся в центре тяжести Земли. Ось Х направлена от точки О в точку Овна (весеннего равноденствия) и проходит в плоскости экватора; Y - дополняет Х до правой в плоскости экватора; Z - совпадает с осью вращения Земли и проходит через полюсы.
Геоцентрическая подвижная система
Аналогичная инерционной системе, разница лишь в оси Х, проходящей через нулевой меридиан (Гринвичский).
Геодезическая система
Определяет координаты точки относительно земной поверхности. Широта - угол между отвесной линией, проходящей через точку, и плоскость экватора.
Долгота - угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку.
Невозмущенное (кеплеровое движение) - движение, на которое влияет только сила тяжести Земли и центр тяжести тела находится в центре тяжести Земли.
|
|
|
Возмущающие факторы
· притяжение Луны и Солнца;
· давление светового излучения Солнца;
· неравномерность гравитационного поля Земли;
· сопротивление среды при движении спутника.
Анализируя эти факторы, можно сделать выводы:
экваториальные орбиты имеют наиболее стабильную форму, но нестабильное положение орбитальной плоскости и орбиты в этой плоскости;
полярные орбиты имеют стабильную орбитальную плоскость, но сравнительно большие изменения формы орбиты;
наклонные орбиты i≈60° имеют компромиссную стабильность параметров.
ГЛОНАСС и NAVSTAR применяют средневысотные наклонные орбиты (i≈60°).
Угол i - называется угол между экваториальной и орбитальной плоскостями. i≈90° - приполярная орбита; i=90° - полярная; i=0° - экваториальная.
Не маловажным фактором является также угловая скорость (векторная величина, характеризующая скорость вращения тела). У круговых орбит она более стабильная, поэтому они используются ГЛОНАСС и NAVSTAR.
Характеристики спутников
. Зона обзора.
Это участок земной поверхности, на котором можно принимать сигналы НКА и осуществлять за ним наблюдение. Центром этой зоны является географическое место спутника (в месте пересечения земной поверхности и линией, соединяющей центры тяжести Земли и НКА).
Совокупность таких мест называется трассой спутника.
Радиогоризонт - условная линия, меньше истинного горизонта на 5-10° - величину маски.
. Зона видимости.
Область небосвода, в которой НКА наблюдается с момента восхода над горизонтом, до момента его захода за горизонт.
. Продолжительность наблюдения.
Промежуток времени, во время которого потребитель наблюдает НКА. Максимален, если потребитель находится в трассе НКА. Зависит от высоты полета и от периода обращения.
спутниковый навигационный орбитальный космический
Навигационные задачи и методы их решения
Навигационными задачами принято считать нахождение пространственно-временных координат, и вектор его скорости (совокупность всех этих факторов принято считать «вектором потребителя»).
|
|
|
Совокупность точек с одинаковой дальностью до НКА (R) формируют поверхность положения, центр которой совпадает с фазовым центром передающей антенны.
При получении 2-ух поверхностей положения, получаем линию положения - совокупность точек, имеющих 2 заданных значения навигационного параметра R.
Навигационный параметр - геометрический параметр, совпадающий с радионавигационным.
Пересечение 2-ух сфер дает линию положения в виде окружности, из-за чего возникает неоднозначность местоположения, так как получаем две линии положения, пересекающихся в двух местах. Устраняется это введением еще одной линии положения, или дополнительной информации о местоположении.
Дальномерный метод
В большинстве случаев потребитель находится на поверхности Земли. Условно примем форму Земли за идеальную сферическую. Сфера R - земная поверхность с центром масс в точке О, а Ri - земная поверхность с центром масс в точке Оi. Составляем уравнение, которое имеет вид:
= 
Ri - дальность между потребителем и НКА; Xi, Yi, Zi - координаты НКА; X,Y,Z - координаты потребителя.
Возникает неоднозначность, так как координаты потребителя находятся в точке пересечения трех поверхностей положения. Устраняется неоднозначность знанием ориентировочных координат потребителя, а если такой возможности нет - используют дальность до третьего НКА.
Для наземного потребителя линия положения - окружность на поверхности Земли. Однако часто высота потребителя неизвестна, и поскольку Землю нельзя принять а поверхность положения (не идеальная форма) - надо использовать минимум не 3, а 4 НКА.
Если еще учесть, что часто некоторые НКА находятся близко к радиогоризонту (что чрезвычайно невыгодно с точки зрения приема радиосигнала), остается очевидной необходимость использовать 5-6 НКА, что и обусловливает орбитальную структуру СНС. В этом способе пренебрегают Δt - расхождение в шкалах времени (из-за несинхронизации и взятия исходных данных не в один момент времени).
Псевдодальномерный метод
Δt - величина постоянная. Поэтому при измерении дальности до i-ого НКА получают псевдодальность R’i=Ri + ΔR (ΔR=c* Δt).
В этом уравнении 4 неизвестных (X,Y,Z, ΔR). Поэтому также нужны априорные знания координат потребителя, в противном случае, необходимо использовать не 4, а минимум 5 НКА, что тяжело сделать на практике.
Жесткие требования этого способа реализуются только среднеорби-тальными СНС. Положительным качеством этого метода является то, что найдя постоянную погрешность ΔR=с* Δt, потребитель находит Δt, что дает ему возможность синхронизировать свою аппаратуру с эталоном временем НКА.
|
|
|
