Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
Недостатком рассматриваемого метода является невозмож- ность проведения измерений в реальном времени. Кроме того, в среднеорбитных СНС реализация метода затруднена из-за медленно- го изменения радиальной скорости. Это обусловило применение ра- диально-скоростного метода в среднеорбитных СНС только для оп- ределения составляющих скорости подвижного объекта. Однако для его реализации необходим высокостабильный эталон частоты. Не- стабильность последнего приводит к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты, что, в свою очередь, влечет до- полнительные погрешности измерения составляющих скорости под- вижного объекта. Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 373 24.3 Среднеорбитные навигационньге спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС Общие сведения. Низкоорбитные СНС первого поколения "Транзит" (США) и "Цикада" (Россия) имели существенные недос- татки: • относительно невысокую точность определения координат места подвижных объектов; • большие промежутки времени между наблюдениями. С целью преодоления этих недостатков сначала в США, а по- том и в России было принято решение начать работы над созданием СНС нового поколения. В США первоначально она называлась "НАВСТАР" (NAVigation Satellite providing Time And Range), т. е. "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения". В настоящее время система получила название GPS. В России среднеорбитная СНС получила название ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система. Основное назначение GPS и ГЛОНАСС — высокоточная на- вигация подвижных объектов в космосе, в воздухе, на воде и земле. Рассмотрим работу среднеорбитной СНС второго поколения на примере GPS как наиболее совершенной системы этого класса. Навигационная спутниковая система GPS. Принцип рабо- ты системы основан на использовании псевдодальномерного метода. В околоземном пространстве развернута сеть НКА, равномерно "по- крывающих" всю земную поверхность. Орбиты НКА вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени извест- ны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников из- лучают сигналы в направлении Земли. Они принимаются НАП, на- ходящейся на подвижном объекте, координаты которого нужно оп- ределить. В НАП измеряется время распространения сигнала от НКА и вычисляется дальность "спутник-приемник". Поскольку для опреде- ления местоположения объекта нужно знать три координаты (пло- ские координаты X, Y ивысоту H), то в НАП должны быть измерены расстояния до трех различных НКА. При таком методе радионавига- ции (он называется беззапросным) точное определение времени рас- пространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Поэтому в состав аппарату- 374 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации ры НКА и НАП входят эталонные часы (стандарты частоты) исклю- чительно высокой точности (долговременная относительная ста- бильность частоты обеспечивается на уровне 10 −13 — 10 −15 за сутки). Бортовые стандарты частоты всех НКА синхронизированы и привя- заны к так называемому "системному времени". Эталон времени НАП менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабиль- ность частоты в течение процедуры измерений. На практике в измерениях всегда присутствует ошибка, обу- словленная несовпадением шкал времени НКА и НАП. По этой при- чине в НАП вычисляется искаженное значение дальности до спутни- ка или "псевдодальность". Измерение расстояний до всех НКА, с которыми в данный момент работает НАП, происходит одновремен- но. Следовательно, для всех измерений величину временного несо- ответствия можно считать постоянной. Это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X, Y и Н,но и поправ- ка часов приемника ∆t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в НАП вычисляются коорди- наты (X, Y и Н) и точное время. На подвижном объекте наряду с псевдодальностями измеряют доплеровские сдвиги частот радиосиг- налов, что позволяет вычислить и его скорость. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспе- чить постоянную видимость, как минимум, четырех НКА. Избыточ- ные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность опре- деления координат и обеспечить непрерывность решения навигаци- онной задачи. Космический сегмент (рис. 24.1) состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на шести орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 53° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит — до 20150 км, а период обращения — половина звездных суток (примерно 11 ч 58 мин). На борту каждого спутника имеется четыре стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых — для целей ре- зервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер. Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 375 Рис. 24. 1. Космический сегмент GPS Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдо- случайными цифровыми последовательностями (эта процедура на- зывается фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: С/А-кодом (код свободного доступа) и Р-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 — только Р-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются нави- гационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах НКА, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. Кодирование излучаемого спутником сигнала преследует следующие цели: • обеспечение возможности синхронизации сигналов НКА и НАП; 376 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации • создание наилучших условий различения сигнала в НАП на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами); • реализацию режима ограниченного доступа к GPS, когда вы- сокоточные измерения возможны лишь при санкционирован- ном использовании системы. Код свободного доступа С/А (Coarse Acquisition) имеет час- тоту следования импульсов ("чипов") 1,023 МГц и период повторе- ния 0,001 с. Поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений рас- стояний с его помощью невысока. Защищенный код Р (Protected) характеризуется частотой сле- дования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кро- ме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутни- ках. Поэтому измерения по Р-коду могут выполнять только пользо- ватели, получившие разрешение Министерства обороны США, кото- рое дополнительно предприняло меры по его защите: в любой мо- мент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование Р- кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно с использованием специальной микросхемы (крип- тографического ключа), которая устанавливается в GPS-приемнике. Кроме того, для снижения точности определения координат несанк- ционированными пользователями предусмотрен так называемый "режим выборочного доступа" SA (Selective Availability). При вклю- чении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах НКА, что приводит к снижению точности навигационных определе- ний примерно в 3 раза. Поскольку Р-код передается на двух частотах (L1 и L2), а С/А-код - на одной (L1), то в НАП, работающих по Р-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая за- висит от частоты сигнала. Точность автономного определения рас- стояния по Р-коду примерно на порядок выше, чем по С/А- коду. Сегмент контроля и управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пять станций сле- жения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджилейн и Коло- радо-Спрингс и три станции закладки, расположенных на островах Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 377 Вознесения, Диего Гарсия и Кваджилейн. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за НКА, которые вы- полняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траек- тории движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения. Навигационная аппаратура потребителей работает следую- щим образом. В НАП (GPS- приемнике) принимаемый сигнал деко- дируется, т. е. из него выделяются кодовые последовательности С/А либо С/А и Р, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS- приемник, что позволяет определить задержку распространения сиг- нала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. По- сле захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т. е. поддерживается синхронизм между принимае- мым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может вы- полняться: • по С/А-коду (одночастотный кодовый приемник); • по Р-коду (двухчастотный кодовый приемник); • по С/А-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазо- вый приемник); • по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник). Сложная структура сигнала, передаваемого от НКА к прием- нику, обусловила многообразие способов его обработки. Кодовые наблюдения реализуются в самых простых по конструкции НАП. Из принятого со спутника сигнала частоты L1 выделяется С/А-код (то- гда приемник называется одночастотным) или из частотных сигналов L1 и L2 выделяется Р-код (двухчастотный приемник). Производится сравнение соответствующего кода с эталонным кодом, который ге- нерирует сам приемник. Точность определения координат при этом составляет: • для одночастотного (L1) приемника — 100 м; • для двухчастотного (L1, L2) приемника — 16м. Значения точности приведены для неблагоприятного режима измерений, когда включен режим "ограниченного доступа" SA. 378 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Фазовые наблюдения выполняются для повышения точности измерений. В этом случае при сравнении принятого со спутника сиг- нала и его эталона, генерируемого в приемнике, учитывается не только код, но и фаза несущей частоты (L1 или L2). Поскольку пери- од несущей частоты в сотни (для Р-кода) и тысячи (для С/А-кода) раз меньше периодов кодовых последовательностей, точность процеду- ры сравнения значительно повышается, а следовательно, возрастает точность измерения координат. Однако в этом случае возникает про- блема целочисленной фазовой неоднозначности, поскольку отсутст- вует информация о количестве целых периодов информационного сигнала, укладывающихся на пути НКА — приемник. Непосредст- венно можно измерить только дробную часть фазовой задержки сиг- нала (в пределах одного периода). Для решения этой проблемы ис- пользуют несколько способов: • классический двухэтапный метод измерений, который пред- полагает на первом этапе выполнение большого количества избыточных измерений, а на втором — статистический ана- лиз полученных данных и определение наиболее вероятного значения фазовой неоднозначности; • модификация классического метода, которая отличается тем, что при обработке результатов измерений производится мно- го этапная калмановская фильтрация и выбирается группа фильтров Калмана с оптимальными свойствами; • метод замены антенн, когда наблюдения выполняются двумя различными приемниками на двух пунктах в две различные эпохи. При измерениях во вторую эпоху производится замена антенн приемников; • метод определения неоднозначности "в пути", когда для оп- ределения целого числа периодов используют линейные комбинации сигналов L1 и L2 (суммы и разности). Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Система имеет назначение, аналогичное системе GPS. Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС со- стоит из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° периодом обращения 11 ч 15 мин в трех орбитальных плоскостях (рис. 24.2). Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В ка- ждой орбитальной плоскости размещаются по восемь спутников с Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 379 равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация НКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного про- странства навигационным полем. Рис. 24.2. Космический сегмент ГЛОНАСС Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управ- ления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи подсистемы входит контроль правильности функционирова- ния НКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. Навигационная аппаратура потребителей состоит из нави- гационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисле- ния собственных координат, скорости и времени. 380 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальностей и радиальной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС, а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигна- лов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных изме- рений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора ско- рости его движения, а также осуществляется "привязка" шкалы вре- мени потребителя к шкале Госэталона Всемирного координирован- ного времени UTC. Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигаци- онных определений, выбор рабочего "созвездия" НКА и обнаруже- ние передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навига- ционного сообщения. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 1,6 ГГц и L2 1,2 ГГц). В системе используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. НКА, находящиеся в противоположных точ- ках орбитальной плоскости (антиподные НКА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах. В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 НКА передают навигационные сигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности. Сигнал стандартной точности с тактовой час- тотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями. Сигнал высокой точ- ности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Ми- нистерством обороны РФ. Системы GPS и ГЛОНАСС хотя и выглядят весьма похожи- ми, но в то же время имеют ряд существенных отличий. К ним отно- сятся: • баллистическое построение космического сегмента; • принцип разделения сигналов; • форма представления эфемерид; • структура информационного кадра; Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 381 • разные системы координат; • различные шкалы времени; • режим селективного доступа системы GPS. В табл. 24.1. приведены основные сравнительные характери- стики систем GPS и ГЛОНАСС. Таблица 24.1.Сравнительные характеристики GPS и ГЛОНАСС Характеристики ГЛОНАСС GPS Число спутников в системе 24 21+5 в резерве Число орбитальных плоскостей 3 6 Наклонение орбиты 64,8° 53° Высота орбиты 19100км 20180км Период обращения 11 ч 15 мин 12 ч Метод представления эфемерид- ных данных 9 параметров движения Кеплеровские элементы Геодезическая система координат ПЗ −90 WGS −84 Содержимое альманаха 120 бит 152 бит Длительность передачи альманаха 2,5 мин 12,5 мин Метод разделения сигналов спут- ника Частотный Кодовый Диапазон частот L1 1602,5625 − 1615,5±0,5 МГц 1575.41±1 МГц Диапазон частот L2 1246,4375- 1256,5 МГц 1227,6 МГц Число элементов кода 511 1023 Тактовая частота кода 0,511 МГц 1,023 МГц Уровень переходных помех для двух соседних каналов −48 дБ −21,6 дБ Период повторения синхрокода 2с 6с Тип используемого дальномерного кода Последова- тельность мак- симальной длины Код Голда Селективный доступ Отсутствует Имеется 382 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Сигналы спутников ГЛОНАСС излучаются в диапазонах час- тот L1 и L2. Сигналы диапазона L2 модулируются специальными кодами, не предназначенными для международных пользователей системы ГЛОНАСС. Однако сигналы этого диапазона частот могут использоваться для устранения ионосферной задержки при бескодо- вом методе приема. Различия систем GPS и ГЛОНАСС, хотя и создают проблемы при разработке НАП, но они принципиально преодолимы. Совместное использование систем GPS и ГЛОНАСС позво- ляет повысить доступность и целостность ГНСС, а также точность определения координат места. 24.4 Дифференциальная подсистема ГНСС Необходимость удовлетворения повышенных требований к точности местоопределения судов потребовала в ряде случаев разра- ботки принципиально новых систем радионавигации. Это касается в первую очередь: • обеспечения безопасности плавания по внутренним водным путям, в узкостях, на акваториях портов и на подходах к ним; • управления движением судов; • установки плавучих средств навигационного оборудования; • обеспечения проведения специальных работ в исключитель- ной экономической зоне. Сначала за рубежом, а потом и у нас в стране была создана дифференциальная подсистема среднеорбитных спутниковых нави- гационных систем (ДГНСС). В табл. 24.2 приведены обобщенные эксплуатационные тре- бования к дифференциальной подсистеме ГНСС. Под доступностью в таблице понимается процент времени, в которое возможно использование системы, а под целостностью — способность системы обеспечить своевременное предупреждение потребителей в случае, когда она не может быть использована для навигационного обеспечения. Суть дифференциального метода состоит в выполнении из- мерений двумя приемниками, один из которых устанавливается в определяемой точке, а другой — в точке с известными координатами — базовой (контрольной) станции. Поскольку расстояние от НКА до |