1.3. Сегмент потребителей.

Сегмент потребителей состоит из приемников СНС 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.

В соответствии с областью применения конструкции и возможности приемников СНС могут значительно отличаться. Так, например, преемники для частного применения не вычисляют составляющие вектора скорости в режиме реального времени, тогда как на судах эти измерения обязательны.

Интерфейс системы подразумевает под собой перечень требований, описаний и технические стандарты сигналов, с помощью которых происходит передача информации от космического сегмента СНС к сегменту потребителей. НКА используют для передачи информации шумоподобные фазоманипулированные сигналы излучаемые на двух несущих частотах L1 и L2, т.к. навигационные измерения на двух частотах позволяют свести к минимуму ионосферные погрешности. Интерфейс СНС беззапросный, т.е. НКА излучают радиосигналы на частотах L1и L2 непрерывно, и любой приемник потребителя, находящийся в зоне обзора НКА, в произвольный момент времени может получать от него навигационную информацию в пассивном режиме. В системе NAVSTAR все НКА вещают на одинаковых частотах: L1=1575,42 МГц, L2=1227,6 МГц и каждому НКА присвоен свой индивидуальный код, т.е. принято кодовое разделение каналов. В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение каналов: для НКА, находящихся на взаимно антиподных орбитальных позициях, можно применить одинаковые несущие частоты, поэтому при 24 действующих НКА минимальное число несущих частот в каждом диапазоне равно 12, таким образом, каждый из 12 НКА имеет свою частоту L1 и L2.

Диапазон частот L1 = 1598,0625…1604,25.МГц, частота каждого канала отличается от соседнего на частоту 562,5 кГц. Диапазон частот L2= 1242,9375…1247,75 МГц, частота каждого канала отличается от соседнего на частоту 437,5 кГц.

Поскольку по ряду причин более широкое распространение в мире получила система NAVSTAR (обобщенное или обиходное название – GPS) и практически абсолютное большинство приемников СНС, установленных в настоящее время на судах, рассчитано только на прием сигналов системы NAVSTAR, то целесообразнее более подробно рассмотреть интерфейс этой системы.

В общей сложности НКА системы NAVSTAR (Navigation system with timing and ranging-навигационная система с определением времени и дальности) излучает сигнал с тремя псевдослучайными дальномерными кодами, индивидуальными для каждого НКА:

P-код, являющийся основным дальномерным кодом;

Y-код, применяемый вместо P-кода при включении режима предотвращения преднамеренных помех и несанкционированного доступа к информации A/S (Antispoofing), т.е. Y-код представляет собой закрытый P-код и доступен только лицензированным пользователям, имеющим соответствующий ключ для расшифровки кода. Поэтому Y-код принято обозначать как P(Y) код. Использование Y-кода определяется специальными документами ICD-GPS-203, ICD-GPS-224 и ICD-GPS-225;

, что все величины взяты в один момент времени, но реально C/A-код (Coarse/Acquizion- «грубый захват») для первичного вхождения в режим слежения и последующего захвата точного P или P(Y) кода. Следовательно, обычному потребителю в настоящее время доступны для использования два открытых кода P и C/A.

2.НАВИГАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ

2.1. НАВИГАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Навигационная задача СНС – это нахождение пространственно-временных координат потребителя, его скорости и направления (вектора скорости) в заданный момент времени. Указанная задача решается непосредственно приемником потребителя. СНС приемник измеряет задержку сигнала (время прохождения сигнала от НКА до приемника) и доплеровский сдвиг частоты, а также выделяет из этого сигнала навигационное сообщение (данные эфемерид и альманаха). По измеренным радионавигационным параметрам (τ-время задержки и fd-доплеровский сдвиг частоты) решающее устройство приемника вычисляет расстояние до каждого НКА, по которым ведется вычисление, равное

R=с×τ (4.1),

где: c-скорость света, и радиальную скорость сближения или удаления между НКА и потребителем, равную

Vr=fd×λ (4.2),

где: λ- длина волны излучаемого НКА сигнала.

Как известно, по измеренным расстояниям от объекта до 3-х опорных точек, всегда можно решить задачу местоположения объекта, поскольку его координаты являются координатами точки пересечения воображаемых окружностей с радиусами, равными дальностям до этих опорных точек, при условии, конечно, что эти опорные точки с известными координатами находятся на разных направлениях от объекта. В навигации такой способ определения координат называется дальномерным методом, в котором, как известно, линиями положения являются окружности. Дальномерный метод заложен в основу функционирования современных СНС ( Navstar, Глонасс, Galileo и др.), в которых роль опорных точек выполняют НКА. Вполне понятно, что решающее значение в работе СНС при определении дальности приобретают точность синхронизации шкал времени НКА и СНС приемника, а также величина погрешности, возникающей при измерении приемником времени прохождения сигнала.

Навигационная задача в определении дальностей до НКА представляет собой систему уравнений вида:

Ri =√ [(xi – x)² + (yi – y)² + (zi - z)² ] (4.3) , где:

Ri - дальность между i-м НКА и приемником потребителя;

xi, yi, zi – известные на момент измерения координаты (эфемериды) НКА;

x, y, z – координаты приемника, которые необходимо вычислить.

Пространственные координаты приемника находятся в точке пересечения трех линий положения, описываемых уравнением (4.3). Для наземного потребителя линия положения в случае с одним НКА представляет собой окружность на поверхности Земли. В случае с двумя НКА наземный потребитель может находиться в одной из двух точек, образованных при пересечении двух окружностей. Возникает неоднозначность, которая может быть устранена измерением дальности до третьего НКА. Таким образом, пересечение трех окружностей с радиусами равными дальностям до трех НКА в одной точке на поверхности Земли является местоположением приемника потребителя. В общем случае, когда высота потребителя над поверхностью Земли неизвестна, земная поверхность не может быть принята за одну из окружностей положения. В этом случае при абсолютной неизвестности предварительных координат необходимо измерение дальностей до 4-х НКА.

Измерение дальностей до 3-х НКА для поверхностного варианта, или 4-х НКА в случае пространственного варианта необходимо ещё и потому, чтобы устранить ошибку в измерении дальностей из-за расхождения бортовой шкалы времени НКА и шкалы времени приемника потребителя. Дело в том, что в дальномерном методе навигационная задача представляет собой систему уравнений (4.3), где подразумевается координаты спутника определены в системной шкале времени, а задержки сигнала и координаты преемника потребителя вычисляются в шкале времени потребителя. При расхождении шкал времени, например, на величину Δt возникает погрешность измерения дальности ΔR = c×Δt, приводящая к возрастанию погрешности местоопределения.

Расхождение шкал Δt на время проведения измерений можно считать величиной постоянной. Поэтому при измерении дальности до i-того НКА получают псевдодальность Ri’, отличающуюся от истинной дальности на постоянную величину ΔR. В результате вместо точных координат определяется как бы область вероятного местонахождения потребителя. Для определения точных координат приемник должен решить задачу с четырьмя неизвестными (x,y,z,ΔR), а не тремя, как указано в уравнении (4.3). Чтобы определить величину ΔR процессор приемника решает методом последовательных приближений задачу сведения трех крайних точек области в одну и определяет время, при котором это сведение могло произойти. По вычисленному времени определяются истинные дальности до НКА, следовательно, и точные координаты приемника потребителя.

Определение вектора скорости потребителя выполняется с помощью псевдорадиально-скоростного метода по доплеровскому смещению частоты принимаемого сигнала. Как известно, для движущихся объектов частота принимаемого сигнала

fsi =fo ± fdi (4.4),

где:fsi – частота принимаемого сигнала с i-го НКА, отличается от несущей частоты fo излучающего сигнала на некоторую частоту fdi, называемую доплеровской, абсолютная величина которой зависит от скорости удаления объектов или скорости их сближения. Доплеровское смещение fdi имеет максимальное положительное значение, когда НКА движется из-за горизонта навстречу потребителю, постепенно уменьшается и становится равным нулю, когда положение НКА на небосклоне достигает апогея по отношению к наблюдателю. Затем доплеровское смещение меняет знак и увеличивается по мере движения НКА к горизонту. По известному значению fd согласно выражению (4.2) определяется радиальная скорость Vr сближения или удаления между НКА и объектом. Поскольку скорость движения НКА по орбите известна и информация о её значении заложена в параметры навигационного сигнала, то приемник по вычисленным значениям других параметров, входящих в алгоритм определения вектора скорости, решает задачу его определения. Разумеется, что до решения этой задачи должны быть известны значения дальностей Ri и координат (x,y,z) потребителя. Эти данные определяются, как известно, по псевдодальномерным измерениям. Таким образом, в работе современных СНС для решения навигационных задач используются два радионавигационных метода: псевдо-дальномерный и псевдорадиально-скоростной.

2.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ (DGPS).

а). Идея дифференциальных методов коррекции координат заключается в том, что приемная аппаратура СНС устанавливается на опорных (контрольных) станциях (КС), координаты которых определены геодезическим методом и точность привязки в данной системе координат значительно превышает точность определения места этих опорных точек по СНС.

Путем сравнения измеренных значений псевдодальностей до НКА с достоверными значениями вычисляются поправки к псевдодальностям. Полученные значения поправок передаются потребителям по специально выделенным линиям передачи данных. Потребитель должен иметь соответствующий приемник, оснащенный модулем для приема радиосигналов КС. Как правило, в настоящее время в судовых GPS приемниках имеется специальный дифференциальный блок, принимающий значения этих поправок.

Наибольшее распространение имеет сеть КС, расположенных на ранее действующих радиомаяках. Радиомаяки получают вторую жизнь, работая в режиме дифференциальной GPS или ГЛОНАСС. Частотный канал для передачи поправок сдвинут на величину около 0,5 кГц относительно основной частоты. На размеры зоны оказывают влияние те же факторы, что и на дальность действия радиомаяка (РМК) в режиме пеленгования. С удалением от опорной станции точность определения места падает. На практике КС стараются располагать не далее, чем 500 км от целевых потребителей. (Для тех, кому интересно: так, при расстоянии между КС и судном, составляющим 100 км, погрешность определения координат составляет единицы

сантиметров, а при расстоянии до КС порядка 1000 км – десятки сантиметров). Как правило, локальные дифференциальные подсистемы функционируют при дальностях до потребителя в диапазоне 50…200 км и обычно имеют в своем составе одну КС, аппаратуру управления и контроля целостности, а также средства передачи данных.

В сигналах опорных станций транслируется 16 видов данных, но непосредственно для навигации используются сообщения, включающие в себя:

• идентификатор опорной станции;

• объем передаваемой информации;

• техническое состояние опорной сигнализации;

Затем передаются поправки к псевдодальностям по каждому спутнику.

Далее следуют:

• идентификатор спутника;

• техническое состояние спутника;

• возраст информации;

• погрешность навигационного параметра.

Структура дифференциальной подсистемы показана ниже (см. рис. 2 и рис.3 после таблицы №1).

3. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМНЫЕ РАЗЛИЧИЯ NAVSTAR и ГЛОНАСС.

Несмотря на то, что имеются некоторые различия в орбитальной структуре систем, к основным отличиям следует отнести различия в навигационных сигналах. В GPS применяется кодовое разделение каналов, а в ГЛОНАСС- частотное. Различается и структура навигационного сообщения: длительность суперкадра в СНС ГЛОНАСС составляет 2,5 мин., в СНС NAVSTAR 12,5мин. Таким образом, в ГЛОНАСС происходит более быстрое обновление альманаха. Орбитальная группировка ГЛОНАСС построена таким образом, что меньше, чем GPS, подвержена влиянию нецентричности поля тяготения Земли и, как следствие, более стабильна по сравнению с GPS, имеющей синхронные 12-часовые орбиты, поэтому коррекция положения НКА системы ГЛОНАСС требуется намного реже.

Недостатки ГЛОНАСС по сравнению с GPS в основном лежат в плоскости временного и финансового факторов. Дело в том, что после распада СССР финансирование и работы по системе ГЛОНАСС практически почти полностью прекратились и возобновились только в 2005 году. К 2004 году в рабочем состоянии были всего 7 НКА, а система GPS полноценно функционирует с 1994 года, при этом к настоящему времени проведена полная замена устаревших НКА на новые 3-го поколения, включая резервные НКА. Автономность новых НКА типа “Block 11R” доведена до180 дней, иными словами в течение 180 дней НКА могут сохранять устойчивое функционирование системы без корректировки параметров орбиты с Земли. Технические параметры обеих систем приведены в сравнительной таблице №1.

Таблица №1

ПОКАЗАТЕЛЬ	ГЛОНАСС	NAVSTAR
Число НКА в полной системе	24	24
Число орбитальных плоскостей	3	6
Число НКА в каждой плоскости	8	4
Наклонение орбиты, в градусах	64,8	55
Высота орбиты, км	19130	20180
Период обращения НКА	11 ч 15 мин 44 сек	11 час 58 мин 00сек
Система координат	П3-90	WGS-84
Мощность солнечных батарей, Вт	1250	1250
Масс НКА, кг	1450	1055
Срок активного существования НКА, лет	5	12
Эталонное время	UTC (SU)	UTC (NO)
Метод доступа	FDMA	CDMA
Несущая частота, МГц:
L1	1598,0625…1604,25	1575,42
L 2	7/9 L1	60/77 L1
Число элементов кода
C/A	511	1023
P	51 100	2,35×1014
Скорость кодирования, Мбит/сек
C/A	0,511	1,023
P	5,11	10,23
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ	-48	-21,6
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/сек	50	50
Вид модуляции	BPSK (Манчестер)	BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин	2,5 (5кадров)	12,5 (25кадров)
Длина кадра, сек	30 (15строк)	30 (5строк)
Длина строки, сек	2	6
Объём сообщения, бит	7 500	37 500

Рис. 2. Работа системы DGPS

Рис. 3 Элементы системы DGPS

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие причины положены в основу выбора высоты орбит НКА, равную ~20000км?

2.Почему угол наклонения орбит по отношению к плоскости экватора выбран близким к 60°?

3. Перечислите состав оборудования НКА.

4. Каким образом в приемнике потребителя компенсируется погрешность определения координат, вызванная ионосферной задержкой распространения сигнала?

5. По каким критериям выбрано количество НКА в СНС, равное 24?

6. Какие референц – эллипсоиды применены в СНС для расчета координат?

7. Что заложено в основу высокоточного определения наземным сегментом управления навигационных параметров (эфемерид) НКА?

8. Почему в основу работы СНС заложен дальномерный метод определения координат?

9.В чем заключается решение навигационной задачи СНC? 10.Почему для определения координат наземного потребителя необходимо измерение дальностей не менее чем до 3-х НКА?

11.Объясните общий принцип определения вектора скорости потребителя. Как Вы понимаете термин « вектор скорости»?

12. В чем состоит идея определения координат с помощью дифференциального метода?

13. От чего зависит точность определения координат в дифференциальной подсистеме СНС?

14. Какая информация передается потребителю от КС, задействованной в локальной дифференциальной подсистеме?

15. В чем заключаются принципиальные отличия СНС «ГЛОНАСС» от СНС «NAVSTAR»?