Принятые и наиболее часто встречающиеся сокращения:

АСЧ - атомный стандарт частоты;

ГНСС, РНС, СРНС - Глобальные Навигационные Спутни­ковые Системы; радионавигационные системы, спутниковые радионавигационные системы;

ИСЗ - искусственный спутник Земли;

КА, НКА – космический аппарат, навигационный космический аппарат;

МПЗ – магнитное поле Земли;

НАП – навигационный анализатор параметров.

ПЭС  полное электронное содержание в единицах TECU (10¹⁶ м^-2);

ОГ – орбитальная группировка

M_ = (5,976 ± 0,004)10²⁴, кг, - масса планеты Земля;

G=6,67310^-11, Hм²кг^-2 – гравитационная постоянная;

R_ = 6371км - радиус Земли;

h_S и h_R – высоты НКА и потребителя по нормали над поверхностью Земли;

d – расстояние между передатчиком и приемником;

с – скорость света в вакууме;

=2f – круговая частота радиоволны, f- рабочая частота радиоволны;

Введение

Радиосистемы различного назначения настолько прочно вошли в нашу жизнь, что мы уже не представляем себе возможности существования без них. Достаточно назвать радиовещание, радиосвязь и телевидение. Менее заметны на их фоне системы специализированного назначения, но от этого они не менее важны. Систему можно определить как совокупность независимых элементов, объединенных для выполнения общей задачи. Радиотехнические системы – это совокупность технических и интеллектуальных средств, осуществляющих извлечение, передачу или разрушение информации, в которых для передачи информации используется радиоканал. К таким системам относятся системы радиопеленгации, навигации и локации.

Особое место в нашей жизни занимают системы космического базирования, то есть системы, использующие Искусственные Спутники Земли (ИСЗ). Они имеют самое разнообразное назначение:

- Спутники радиосвязи и передачи данных;

- Спутники теле- и радиовещания;

- Навигационные спутники;

- Погодные или метеорологические и

- Спутники для контроля над военными действиями;

- Научные спутники служат для наблюдения Земли и околоземного космического пространства, других планет, Солнца, комет и Галактик;

- Спутники-шпионы ведут прослушивание радиопереговоров, определяют тематику переговоров и адресаты сторон, контролируют работу на оборонных объектах;

- Спутники защиты обнаруживают несанкционированные запуски ракет, взрывы ядерных бомб и т.п. и сообщают защищающейся стороне об этих событиях для принятия соответствующих мер.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В этом разделе рассмотрим области применения и основные принципы построения радионавигационных систем. Рассмотрим влияние сред на распространение радиоволн, распространяющихся из космоса к Земле.

Термин "навигация" происходит от латинского "navigare", что дословно означает "ездить по морю". Литературный термин, наверное, звучал бы как «мореплавание», или «судоходство». Слово «навигация» стало нарицательным. Оно вполне сочетается с такими определениями, как: воздушная, космическая, речная и даже «морская навигация».

Для понимания особенностей функционирования различных навигационных систем целесообразно сначала остановиться на самом понятии навигации. Навигация – это наука о методах и способах ориентирования, определения местоположения (координат) и проведения транспортного средства из одной заданной точки пространства в другую.

Проблема ориентирования в пространстве возникла сразу после возникновения необходимости человеку удаления от постоянного места обитания за пределы прямой видимости. Особые трудности ориентирования возникли при выходе в море, где нет привычных на земле ориентиров. Древние охотники, отправляясь на добычу, для лучшего нахождения обратного пути прикрепляли к деревьям рога убитых животных и находили обратную дорогу, двигаясь от рога до рога.

 Мореплаватели обнаружили, что в северном полушарии одна из звезд (Полярная звезда) выделяется своей яркостью среди других близь лежащих звезд, постоянно находится на одном и том же месте и её проекция на линию горизонта совпадает с направлением на север, а угловая высота над горизонтом соответствовала географической широте местонахождения. Эта звезда стала ориентиром движения и возвращения в заданный район.

Использование полярной звезды полностью ещё не решало задачи ориентации в пространстве, в определении своего местоположения. Недоставало знания географической долготы местоположения. Эта задача была решена с помощью высокоточных часов, названных хронометрами. Эти часы всегда показывали время Гринвичского меридиана, выбранного за нулевую долготу. Разница между местным временем и показаниями хронометра, учитывая, что на каждый час приходится 15^о, стала указателем долготы местонахождения. Однако навигация с помощью полярной звезды имела существенный недостаток, этот метод работал только в ночное время суток и при безоблачной погоде. В дальнейших разработках средств навигации менялись способы ориентации на полюс и определения широты места, а хронометр оставался обязательным атрибутом.

Широкое распространение в задачах навигации получил магнитный компас. Когда было обнаружено, что намагниченная стрелка одним из своих концов показывает на север, а другим – на юг, это свойство стали использовать для ориентирования в пространстве. На земном шаре появились, кроме географических полюсов, магнитные полюса. Их оси не совпадали, угол между ними составляет в настоящее время 11,5⁰. Устройства, в которых симметричная стрелка с осью вращения располагалась в центре круга, имеющего градусную сетку, стали называться компасами. Итак, первыми пользователями магнитных компасов стали мореплаватели. Как оказалось магнитная стрелка не всегда показывает на север или юг. На направление стрелки оказывают влияние залежи железной руды (магнитные аномалии, например, Курская магнитная аномалия), расположенные под поверхностью Земли, металлические предметы, находящиеся в непосредственной близости от магнитного компаса. Таким образом, стрелка магнитного компаса показывает некоторое направление, определяемое направлением силовых линий магнитного поля Земли и расположением магнитных неоднородностей на земном шаре.

Непреодолимые трудности ориентирования с помощью магнитных компасов возникают в полярных районах. На практике магнитная стрелка просто беспомощно крутится во все стороны. Эта ситуация в приполярных районах ещё более усугубляется в периоды геомагнитных бурь, происходящих всякий раз, когда Солнце во время вспышек выбрасывает в межпланетное пространство огромное количество заряженных частиц (плазму).

И все-таки, техника и методика ориентирования с помощью совместного использования звездного неба и компаса постоянно совершенствовалась и используется практически до наших дней.

Надо сказать, что магнитные полюса дрейфуют со временем. И хотя этот дрейф достаточно медленный, знать об этом надо. За сотни лет полюса смещаются к экватору и вновь движутся в направлении полярных широт.

В XIX веке американец Сперри и немец Аншютц разработали первые гирокомпасы. Работа гирокомпасов основана на свойстве гироскопа сохранять неизменным направление оси вращения. Такими направлениями можно выбрать направления вдоль географического меридиана (направление на полюс), широтного круга (направление восток-запад) и по вертикали. Навигационные системы, использующие гироскопический эффект, называются инерционными навигационными системами (ИНС).

Существенным прогрессом в задачах навигации стало использование радиоволн. Постоянно совершенствующиеся методы радионавигации продолжают развиваться и совершенствоваться в направлениях удобства их использования, себестоимости и точности определения координат. Наиболее точными системами определения координат стали спутниковые радионавигационные системы (СРНС).

Так или иначе, но многовековой опыт ориентирования в пространстве или местоопределения выработал основные требования и критерии к этой сфере обслуживания.

1.1 Задачи радионавигации

Навигация решает следующие задачи:

- определение местоположения подвижных объектов в пространстве (космический, воздушный, водный и наземный транспорт);

- управление движением воздушного, наземного и водного транспорта;

- геодезическое обеспечение при картографии и океанографии, геологоразведке и добыче полезных ископаемых, расстановке буев и установке опорных радионавигационных станций, создании геодезических сетей, землеустройстве и т.д.;

- высшая геодезия и геодинамика: определение формы и размеров Зем­ли, деформации ее поверхности, тектонические движения континен­тальных плит, предсказания землетрясений и т.п.;

- специальные задачи, в том числе поисково-спасательные работы, маневрирование при ловле рыбы, научно-исследовательские (экспериментальные) работы и др.;

- мониторинг деформаций инженерных сооружений и естественных объектов в целях предупреждения техногенных катастроф;

- высокоточные сличения эталонов времени лабораторий всего мира;

- синхронизация систем связи и энергетических систем, обеспечиваю­щая надежность их функционирования и минимизацию энергетичес­ких потерь;

- воздушная навигация: полет по маршруту (прокладка и отображение курса, определение расстояний до пункта назначения и оценка вре­мени прибытия в аэропорт назначения); заход на посадку (здесь в пер­вую очередь предъявляются требования к достоверности навигацион­ной информации и обнаружению отказов с помощью контроля целостности системы);

- навигация морских и речных судов, обеспечение безопасности плава­ния в узких проливах; мониторинг рыболовецких флотов, кво­тирование и контроль добычи морских продуктов;

- определение рель­ефа дна и расчистка фарватеров, отслеживание загруженности портов, береговые службы контроля прохождения грузов;

- навигация в наземных условиях и диспетчерские службы грузовых автомобильных перевозок; выбор оптимального маршрута, отслежи­вание местоположения грузовика, оснащенного GPS-приемником; кон­троль целостности груза и своевременности прибытия и т.д.;

- на железнодорожном транспорте - повышение безопасности движе­ния, повышение эффективности работы диспетчерских служб, опти­мизация режимов ведения поездов;

- гидрографические применения: постройка морских сооружений, про­кладка трубопроводов, создание морских нефтяных платформ, сейс­мологические исследования дна моря;

- в сельском хозяйстве - организация землепользования, оптимизация обработки посевных площадей и др.;

- массовые применения средств радионавигации бытового назначения.

Ниже на рисунке 1.1. приведем основные характеристики навигации.

Рис.1.1. Общая схема радионавигации

Это далеко неполный перечень основных направлений ис­пользования средств глобального позиционирования.

1.2. Требования потребителей к радионавигационным системам

Основными требованиями, предъявляемыми в РНС, являются:

1) размер рабочей зоны; 2) точность определения местоположения объектов; 3) доступность; 4) целостность; 5) непрерывность обслуживания; 6) дискретность определения местоположения объектов; 7) пропускная способность.

Дадим краткие определения каждому параметру.

Рабочая зона – область пространства, где обеспечивается возможность определения координат своего местоположения.

Точность определения местоположения есть величина абсолютной значение разности между измеренными и истинными значениями координат или их среднеквадратичное отклонение.

Доступность РНС - это вероятность получения достоверной информации о своем местоположении.

Целостность РНС - это способность систем обнаруживать свое неправильное функционирование, исключать использование и оценивается вероятностью оповещения потребителей при нарушении работы системы в пределах допустимого интервала времени.

Непрерывность обслуживания - это вероятность безотказной работы системы и характеризуется пороговым интервалом времени.

Дискретность определения местоположения - это минимальный интервал времени, через который возможно новое определение местоположения.

Пропускная способность - это максимальное количество одновременно обслуживаемых пользователей.

Любая радиосистема связи, коммуникации, навигации и локации может быть организована с разрешения Международных организаций, согласно установленных ими правилами и законами. Главной организацией в этой системе является Международный союз электросвязи (МСЭ), при нём функционируют: Международная комиссия по радиочастотам (МКРЧ), занимающаяся распределением, выделением и присвоением рабочих частот; Международная консультативная комиссия по радиочастотам (МККР), занимающаяся разработкой рекомендаций и других документов. Список всех руководящих, разрешительных, предписывающих документов периодически публикуется в документе, носящем название Регламент Связи. В нем также определены радионавигационные службы: воздушная радионавигационная, морская радионавигационная, морская подвижная (бедствие и вызов), подвижная (сигналы бедствия и вызова), радионавигационная и спутниковая радионавигационная, а также дается перечень диапазонов частот и волн, выделенные для использования в этих системах. Службы радиолокации и радионавигации, определенные Регламентом Связи, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1