VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения координат и приращений координат - спутниковый. В этом методе вместо привычных геодезистам неподвижных пунктов геодезической сети с известными координатами используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой интересующий геодезиста момент времени.

В настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и американская система NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System - навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования). В данном случае под словом «позиционирование» подразумевается определение координат и времени. Обе системы создавались для решения военных задач, но в последние годы нашли широкое применение в геодезии, обеспечивая исключительно высокие точности определения приращений координат со средней квадратической погрешностью 5 мм + D10-6, координаты одиночного приемника могут быть определены со средней квадратической погрешностью 10 м. В связи с тем, что в геодезических измерениях система NAVSTAR GPS применяется существенно шире, основное внимание будет уделено именно этой системе[6].

Всю навигационную спутниковую систему определения местоположения принято делить на три сегмента: космический сегмент, сегмент контроля и управления, сегмент пользователей (приемники спутниковых сигналов) [1].

Космический сегмент

В космический сегмент GPS входят 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 двухчастотных L-диапазонах.

Созвездие спутников GPS состоит из 24 спутников на почти круговых орбитах с радиусом 26 560 км, периодом около 12 часов и почти постоянными трассами. Спутники размещаются на шести орбитальных плоскостях с наклонением 55º, на четырех рабочих точках (слотах), неравномерно распределенных на каждой орбите (рис. 1). 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 имеются запасные слоты, для которых припасены обозначения А5, В5 и т. д. (рис. 4.2). В системе может находиться на орбитах созвездие до 30 спутников [2].

Рис. 1. Орбитальная структура системы GPS NAVSTAR

Рис. 2. Схема расположения спутников GPS на орбитальных плоскостях

Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС (спутниковая навигационная система) в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3-5 НКА (непилотируемый космический аппарат) (рис. 3). На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поляи достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Систему GPS называют сетевойСНС, поскольку принципиальное значение для функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть [3].

Рис. 3. Один из НКА GPS

Основное назначение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭВМ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления [4].

Контрольный сегмент GPS

Сердцем Контрольного сегмента является Главная станция управления, находящаяся на военно-воздушной базе Шривер (часто называемой Фалкон), около г. Колорадо Спрингс (шт. Колорадо, США). Главная станция управляет системой и обеспечивает командные и контрольные функции. Главными функциями Контрольного сегмента являются:

- отслеживание орбит спутников;

- отслеживание и поддержка рабочего состояния спутников;

- формирование системного времени GPS Time;

- расчет эфемерид спутников и параметров часов;

- обновление спутниковых навигационных сообщений;

- осуществление небольших маневров спутников для поддержания орбит(по мере необходимости).

Сигналы спутников непрерывно отслеживаются со станций слежения, широко распределенных на земном шаре по долготе: о. Вознесения, о. Диего Гарсия, атолл Кваджалейн, Гавайи и Колорадо Спрингс (рис. 4). С 2001 г. к этому списку нужно добавить м. Канаверал. Оборудование контрольных станций состоит преимущественно из GPS приемников с цезиевыми стандартами частоты, метеорологическими инструментами и связным оборудованием для передачи измерений на Главную станцию управления через наземные и спутниковые линии связи.

Наземные антенны для связи со спутниками через радиосвязь S-диапазона размещаются рядом со станциями слежения на о. Вознесения, м. Канаверал, о. Диего Гарсия и на атолле Кваджалейн. Эти 10-метровые параболические антенны (рис. 5) дистанционно управляются с Главной станции управления, чтобы получать телеметрические данные со спутников о состоянии их подсистем, для засылки команд и загрузки данных для навигационных сообщений, затем транслируемых спутниками. Автоматическая станция слежения контрольной сети ВВС в Шривере также может работать как наземная GPS антенна для выдачи команд и проведения контроля [2].

Рис. 4. Сегменты управления

Рис. 5. Параболические антенны для дистанционного управления спутниками GPS

Важная функция Контрольного сегмента – поддержка системы отсчета WGS-84. Эта система отсчета доступна пользователям GPS через спутниковые эфемериды, вычисленные по данным, собранным на станциях мониторинга. Если какая-либо организация пожелает вычислить свои спутниковые орбиты (например, из пост-обработки данных наблюдений GPS, собранных со своей собственной наземной сети приемников), то полученная система отсчета будет определяться системой координат станции наблюдения в этой системе. Это может быть и не WGS-84, но обычно очень близкая к ней система отсчета.

Сегмент потребителей

Сегмент потребителей GPS, аналогично сегменту потребителей ГЛОНАСС, состоит из приемников и некоторых дополнительных устройств, таких как антенны, интерфейс с исполнительными устройствами, а также вспомогательного программного обеспечения. В простейшем случае приемник получает от НКА навигационные данные, встроенный вычислитель решает навигационную задачу и выводит на дисплей абсолютные значения координат. Однако для большинства применений столь скромных возможностей недостаточно [3].

Области применения GPS на сегодняшний день (рис. 6):

• военные задачи (точное целеуказание и целенаведение, позиционирование);

• авиация (прокладка курса, позиционирование, автоматическая посадка);

• морской транспорт (прокладка курса, позиционирование);

• наземный транспорт (прокладка маршрута, контроль движения);

• геодезия и картография (кадастровые съемки, картографирование и т.п.);

• строительство (мосты, тоннели, продуктопроводы);

• сельское хозяйство (разметка и обработка сельхозугодий);

• добыча полезных ископаемых;

• спасательные работы;

• системы безопасности (поиск похищенных автомобилей и грузов и т.п.);

• службы точного времени;

• частное использование в быту (туризм, охота, хобби).

Рис. 6. Сегменты потребителей GPS

Шкалы времени Спутниковых Навигационных Систем и их синхронизация

Спутниковая навигационная система представляет собой комплекс орбитальных объектов, контрольных станций и приемников потребителей, имеющих жесткую привязку по пространственно-временным параметрам. Более того, большинство параметров орбитального движения НКА с точки зрения потребителя выражается через функции от времени. Применение пассивных (беззапросных) дальномерных методов подразумевает взаимную синхронизацию повремени излучения всех НКА. При этом все компоненты СНС должны использовать единую шкалу времени.

Очевидно, что реализовать эти требования в полной мере невозможно, так как для этого потребуется оснастить идентичными высокоточными эталонами частоты (времени) все составляющие системы, включая аппаратуру потребителей. Поэтому на практике применяют три шкалы времени - системную шкалу, бортовую шкалу и шкалу потребителя, перечисленные в порядке снижения доступной точности.

Основной шкалой времени СНС является системная, поскольку она оказывает прямое или косвенное влияние на синхронизацию всех подсистем СНС. Для ее формирования используются наиболее точные квантовые эталоны времени и частоты, расположенные в наземных командно-измерительных станциях и обеспеченные специальными техническими и алгоритмическими решениями[6].

Бортовая шкала времени формируется квантовым эталоном ("атомными часами") расположенным на борту НКА (непилотируемого космического аппарата). К этому эталону привязываются все навигационные сигналы, излучаемые НКА. Бортовые эталоны работают в гораздо более жестких условиях и технически менее обеспечены, поэтому имеют меньшую стабильность, чем системные эталоны. Между бортовой и системной шкалой неизбежно возникает расхождение, которое измеряется и периодически устраняется наземным сегментом управления. Для определения величины ухода бортовой шкалы относительно системной наземный комплекс управления производит сверку шкал. В процессе сверки по принятым наземной станцией навигационным сигналам НКА измеряется значение времени по бортовой шкале на момент начала излучения сигнала В момент начала его приема наземной станцией время по бортовой шкале вычисляется, как [5]

tБШВ=tизл+Δtраспр+Δtрэ+Δtат+Δtапп ,

где Δtраспр - время распространения от фазового центра передающей антенны НКА до фазового центра приемной антенны измерительной станции; Δtрэ - уход бортовой шкалы времени из-за релятивистских эффектов, определяемый с точностью до единиц наносекунд; Δtат - сдвиг бортовой шкалы на величину задержек распространения в атмосфере; Δtапп - аппаратурные и метрологические погрешности. Уход бортовой шкалы времени относительно системной определяется, как разность между вычисленным значением tБШВ и эталонным временем системы.

Существуют активный (запросный) и пассивный (беззапросный) методы измерения величины дальности до НКА для вычисления параметра Δtраспр. Активный метод более прост и позволяет получать более точные результаты, но требует применения дополнительной аппаратуры. В настоящее время система ГЛОНАСС использует активный метод, a GPS - пассивный.

Обычно коррекция бортовой шкалы времени происходит эпизодически, при ее уходе относительно системной шкалы больше допустимого значения. Существует два вида коррекции. В случае обнаружения смещения временных интервалов шкал (разность фаз кодовых последовательностей) производится фазирование бортовой шкалы, позволяющее совместить шкалы с точностью до десятков наносекунд. Совместно с фазированием либо независимо от него может проводится изменение оцифровки (коррекции кода на целое число секунд).

В настоящее время все СНС управляются с ограниченных территорий и коррекцию бортовых шкал времени удается производить лишь эпизодически. Поэтому применяется прогнозирование ухода бортовой шкалы. По результатам длительных наблюдений за уходом бортовой шкалы составляется математическая модель и вычисляется систематическая составляющая ухода. Предсказание систематической составляющей позволяет загрузить в бортовую память каждого НКА соответствующие частотно-временные поправки, которые затем передаются потребителю в составе эфемеридной информации.

Наиболее нестабильной и смещенной относительно системной шкалы является шкала времени потребителя, которая формируется кварцевым генератором приемника. Шкала времени потребителя корректируется при помощи соответствующей части навигационной информации, принимаемой с НКА. Существует несколько способов синхронизации шкалы времени потребителя. В первом способе информация, принятая потребителем, используется как для расчета текущего ухода бортовой шкалы времени относительно системной, так и для привязки шкалы времени потребителя к системной шкале при нахождении временной координатыt'. Этот способ наиболее распространен и обеспечивает точность привязки не менее 1 мкс.

Второй способ основан на том, что потребителю в навигационном сообщении передаются метка времени НКА и частотновременные поправки. Точность привязки в этом случае ниже и зависит от знания дальности до НКА (т.е. времени распространения сигнала Δtраспр). Третий способ аналогичен второму, но в качестве источника информации используются дальномерные коды [3].

Литература:

1. Е.Б. Клюшин, А.О. Куприянов, В.В. Шлапак Спутниковые методы измерений в геодезии. (Часть 1).Учебное пособие. М.: Изд. МИИГАиК. УПП ≪Репрография≫, 2006 г., с.60.

2. Антонович, К.М. А11 Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т. Т. 1. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. – 334 с.: ил.

3. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. – М; Горячая линия – Телеком, 2005. – 272 с.: ил.

4. DeBolt, Robert O., et al. A Technical Report to the Secretary of Transportation on a National Approach to Augmented GPS Services, U.S. Department of Commerce, National Telecommunications and Information Administration and U.S. Department of Transportation, NTIA Special Publication 94-30, December 1994.

5. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998.

6. Курошев Г.Д. Космическая геодезия и глобальные системы позиционирования. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2011. – 182 с.

Код для цитирования: Скопировать