Принципы навигации

  • Основные элементы спутниковой системы навигации
    • Космический сегмент
             Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.
    • Наземный сегмент
             В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.
            Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.
             Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.
    • Пользовательский сегмент
              В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.
  • Принцип работы системы навигации
           Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.
           На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии – это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

  • Cистема координат

      Системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли, называют геоцентрическими. Земные геоцентрические системы координат называют также общеземными или глобальными, мировыми референцными (опорными), или условными земными системами (условными – то есть принятыми по соглашению). Общеземные системы определяются и поддерживаются при использовании измерений нескольких подсистем: измерения на радиоинтерферометрах со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерная локация КА, лунная лазерная локация, допплеровские спутниковые измерения DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), навигационные измерения КА ГЛОНАСС и GPS.

      Передаваемые каждым космическим аппаратом (КА) системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного КА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90, определяемой следующим образом:

      • -  начало координат расположено в центре масс Земли;
      • -  ось Z направлена в Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);
      • -  ось X направлена по линии пересечения плоскости экватора Земли и начального меридиана, установленного Международным бюро времени (BIH);
      • -  ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

      Геодезические координаты точки в системе координат ПЗ-90 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в таблице 1.

      Геодезическая широта В точки М определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора.

      Геодезическая долгота L точки М определяется как угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку М. Положительное направление счета долгот - от нулевого меридиана к востоку.

      Геодезическая высота H определяется как расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки М.

      Фундаментальные геодезические константы и основные параметры общеземного эллипсоида, принятые в системе координат ПЗ-90 приведены в таблице 1.

      Таблица 1. Геодезические константы и параметры общеземного эллипсоида ПЗ 90.
      Угловая скорость вращения Земли 7,292115x10-5 радиан/с
      Геоцентрическая константа гравитационного поля Земли с учетом атмосферы 398 600,44x109 м32
      Геоцентрическая константа гравитационного поля атмосферы Земли (fMa) 0.35x109 м32
      Скорость света 299 792 458 м/с
      Большая полуось эллипсоида 6 378 136 м
      Коэффициент сжатия эллипсоида 1/298,257 839 303
      Гравитационное ускорение на экваторе Земли 978 032,8 мгал
      Поправка к гравитационному ускорению на уровне моря, обусловленная влиянием атмосферы Земли -0,9 мгал
      Вторая зональная гармоника геопотенциала (J20) 1082625,7x10-9
      Четвертая зональная гармоника геопотенциала (J40) (- 2370,9x10-9)
      Нормальный потенциал на поверхности общеземного эллипсоида (U0) 62 636 861,074 м2/s2

      Справочный документ «ПАРАМЕТРЫ ЗЕМЛИ 1990 ГОДА» (ПЗ-90.11)
      ВОЕННО-ТОПОГРАФИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГЕНЕРАЛЬНОГО ШТАБА ВООРУЖЕННЫХ СИЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, Москва, 2014 г.

  • Системы времени

      В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.

      Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.

      Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.

      Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.

      Атомное время (TAI) — время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.

      Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).

  • Навигационное сообщение

      Навигационное сообщение, передаваемое каждым КА ГЛОНАСС, содержит оперативную и неоперативную навигационную информацию.

      Оперативная навигационная информация относится к данному КА и содержит данные о шкале времени спутника и эфемириды.

      Эфемериды – таблица данных, дающая координаты космического аппарата на ряд указанных моментов времени внутри указанного периода.

      Эфемериды КА ГЛОНАСС содержат следующие данные:

      -  NS - номер спутника;

      -  Дата (опорный момент, к которому относятся эфемериды) – ДМВ (UTC+3ч.) [ЧЧ.ММ.ГГ];

      -  TΩ- - момент прохождения восходящего узла орбиты КА (количество секунд от 00ч.00м.00сек. ближайшей даты) [сек.];

      -  Tоб – драконический период обращения [сек.];

      -  e – эксцентриситет орбиты КА;

      -  i - наклонение орбиты КА [град.];

      -  LΩ - географическая долгота восходящего узла орбиты в соответствии с ИКД ГЛОНАСС [град.];

      -  ω - аргумент перигея [град.];

      -  δt2 - поправка к бортовой шкале времени [сек.];

      -  nl - Номер литерной частоты;

      -  ΔT - Скорость изменения драконического периода.

      Неоперативная навигационная информация содержит альманах системы.

      Альманах включает в себя:

      -  данные о шкале времени системы;

      -  данные о шкале времени каждого спутника;

      -  данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спутников системы.

      Точность передаваемых в составе альманаха параметров такова, что позволяет потребителю производить определение дальности и радиальной скорости спутника со среднеквадратическими погрешностями, зависящими от времени, прошедшего с момента передачи альманаха ("возраста" данных), как показано в таблице 2.

      Таблица 2. Зависимость погрешности навигационных определений от "возраста" данных альманаха
      "Возраст" данных альманаха СКО погрешности определения
      дальности (км) радиальной скорости (м/с)
      1 сутки 0,83 0,33
      10 суток 2,0 0,7
      20 суток 3,3 4,2
  • Минимальное количество видимых спутников для определения местоположения   пользователя
           В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.
           В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.
  • Сигналы навигационных спутников

      Интерфейс между подсистемой космических аппаратов и навигационной аппаратурой потребителей состоит из радиолиний L-диапазона частот. Каждый КА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,25 ГГц.

      В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов КА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый КА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. КА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные КА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.

      В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 КА ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности.

      Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями.

      Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.

      Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым КА системы ГЛОНАСС на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей осуществляется на π радиан с максимальной погрешностью не более ±0,2 радиана.

      Фаза несущего колебания поддиапазона L1 в КА ГЛОНАСС и фазы несущих колебаний поддиапазонов L1 и L2 в КА ГЛОНАСС-М модулируются двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю «2» псевдослучайного дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр.

      Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты.

  • Факторы, влияющие на снижение точности
           Точностные характеристики навигационных спутниковых систем определяются уровнем основных ошибок измерений и геометрическим расположением используемых спутников и потребителя.
                Геометрический фактор представляет собой коэффициент пересчета единичной погрешности измерения радионавигационного параметра в погрешность определения соответствующего параметра. В понятие геометрического фактора можно вкладывать разный смысл. Так, например, если оценивается точность пространственного (трехмерного) местоопределения, то речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в пространстве, обозначаемым Гп. При оценке точности двумерного (горизонтального) местоопределения речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в горизонтальной плоскости Гг, а при оценке точности только высоты о геометрическом факторе высоты Гв. Для оценки точности временного параметра говорят о геометрическом факторе времени Гт. При оценке точности четырехмерного пространственно временного вектора используют геометрический фактор ГΣ. Часто вместо термина «геометрический фактор» применяется обозначение DOP (Dilution of Precision - уменьшение точности). Это связано с тем, что по определению геометрический фактор означает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений при оценке того или иного параметра.
      Для четырехмерного геометрического фактора ГΣ. используется обозначение GDOP (Geometrical DOP - означает учет всех составляющих четырехмерного вектора).
           -Геометрическому фактору Гп соответствует PDOP (Position DOP – означает учет составляющих вектора положения в пространстве).
           -Геометрическому фактору Гг соответствует HDOP (Horizontal DOP - означает учет составляющих вектора положения в горизонтальной плоскости).
           -Геометрическому фактору высоты Гв соответствует VDOP (Vertical DOP).
           -Геометрическому фактору времени Гт соответствует TDOP (Time DOP).
  • Дифференциальное измерение (внесение дифференциальной поправки к координатам)
             В основе дифференциальной навигации лежит относительное постоянство значительной части погрешностей навигации во времени и в пространстве.
          Дифференциальный режим навигационной спутниковой системы предполагает наличие как минимум двух навигационных приемников (контрольно-корректирующая станция и потребитель), находящихся в двух точках пространства. При этом дифференциальная контрольно-корректирующая станция (базовая станция) геодезически точно привязана к принятой системе координат. Разности между измеренными и рассчитанными в ней значениями псевдодальностей видимых спутников, а также разности между измеренными и рассчитанными псевдоскоростями по линии передачи данных передаются потребителю. Эти разности называются дифференциальными поправками. Потребитель, в свою очередь, вычитает полученные поправки из измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей. Если погрешности определения псевдодальностей слабо изменяются во времени и пространстве, то они существенно компенсируются переданными по линии передачи данных поправками. Основными слабо меняющимися погрешностями определения псевдодальности являются ошибки синхронизации, погрешности за счет ошибок эфемеридного обеспечения, некомпенсированные ионосферные погрешности. При полностью скомпенсированных ионосферных и эфемеридных погрешностях основными источниками ошибок остаются многолучевость, ионосфера, тропосфера и шум приемника.