Спутниковые навигационные системы

25.11.2021

Спутниковые навигационные системы

Спутниковые навигационные системы (GNSS, Глобальная навигационная спутниковая система) определяют местоположение путем измерения расстояний до спутников, положение которых известно. Расстояние измеряется скоростью сигнала (время, необходимое для прохождения сигнала от спутника до приемника).
На момент написания статьи (2016) американская GPS (Глобальная система позиционирования) является наиболее используемой. Она находится в эксплуатации с 1995 года. Российская система GLONASS активна, но используется значительно реже. Galileo, совместная европейская система, находится в стадии разработки, также новые системы Индии, Китая и Японии.

Спутниковая навигационная система состоит из трех частей:

  • Контрольный центр
  • Спутники (SV, космический аппарат)
  • Приемник на борту.

GPS имеет функцию, которая позволяет Министерству обороны США ухудшать сигнал, чтобы помешать своим противникам использовать наивысшую степень точности. Эта функция называется выборочной доступностью (SA) и вносит случайную ошибку около 100 метров. SA была отключена в 2000 году. Американские военные выступили с заявлением о том, что они не будут повторно запускать SA, но навигаторы в зонах военных действий должны, тем не менее, быть готовы к такой возможности.


Положения спутников определяются в x, y, z − системе координат с начальной точкой в центре Земли. Рассчитанный диапазон создает сферу возможных позиций.

1. Координаты спутника, выраженные в трехмерной системе координат с центром Земли, известны приемнику благодаря информации, передаваемой в сигналах.
2. Приемник отсчитывает время прохождения переданного сигнала и использует его для измерения расстояния до спутника. Возможные положения в пространстве образуют сферу.
3. Для вычисления точного положения в пространстве требуется по меньшей мере четыре "сферы позиционирования", одной из которых может быть поверхность Земли. Это должно означать три измерения со спутников, но из-за ошибок в тактовой частоте приемника в любом случае необходимо четвертое измерение.
4. Конечным результатом является положение приемника в системе координат спутников. Затем эти данные преобразуются в координаты широты и долготы.

Это не является обычным правом для всех − возможность получать сигналы GPS, выступая "подарком" Министерства обороны США.

1. Контрольный центр (GPS)

Для того чтобы система работала, необходимо, чтобы положение спутников было известно до секунды − несмотря на то, что они несутся в космосе со скоростью 4 км/сек.

Часы требуются для определения времени прохождения радиосигналов, и только предельная точность атомных хронометров делает возможным подобный уровень возможным. Но даже их исключительная стабильность, должна контролироваться и корректироваться системой управления.

Функция станции управления в Колорадо-Спрингс заключается в обеспечении нахождения спутников на правильной орбите и в корректировке четырех атомных часов на борту каждого спутника. Это делается с использованием данных со станций мониторинга. Спецификация для погрешности атомных часов состоит в том, чтобы она составляла менее 7 наносекунд, что эквивалентно двухметровой ошибке в положении судна.


Расположение станций мониторинга на поверхности земного шара и станции управления в США.
Эта карта взята из www.gps.gov, где доступна актуальная информация о GPS

Система отслеживает положение спутников с помощью станций мониторинга. Станция управления отправляет орбитальную информацию спутникам, которые, в свою очередь, передают ее приемникам. Это информирует приемники о том, где находятся спутники в космосе в любой данный момент времени.

2. GPS спутники

Системе GPS требуется более 24 спутников, которые вращаются вокруг земного шара в шести орбитальных плоскостях с ориентацией 55° к экваториальной плоскости. Каждая плоскость содержит четыре спутника. Это гарантирует, что в любой момент на поверхности земли есть по меньшей мере шесть спутников, высота которых над горизонтом составляет не менее 9,5°. Это считается наименьшим углом, при котором приемлемый сигнал может быть принят простой антенной. Самые старые спутники перестали работать, но были запущены новые поколения. Ожидается, что срок их полезного использования составит от 7 до 12 лет.
Управляемые ракеты используются для стабилизации и коррекции положения спутника относительно его предполагаемой орбиты. Передающие антенны всегда должны быть обращены к Земле. Полезная нагрузка: топливо и аккумуляторы − это факторы, определяющие срок службы спутника.
Каждый спутник оснащен четырьмя атомными часами с точностью 1 секунда за 1 400 000 лет. (Более новые спутниковые часы имеют еще более высокую точность.)
Спутники описывают круговые орбиты на высоте 20 200 км (3,75 радиуса Земли), и каждый из них весит около 2 тонн. Их орбитальные периоды составляют около 12 часов.
    
Измерение расстояния до спутника дает окружность положения на поверхности Земли

3. Навигационные сигналы

Спутники непрерывно передают сигналы на двух частотах: L1 на 1575,42 МГц для гражданского использования (также называемый C/A, Грубый прием) и L2 на 1227,60 МГц (P, Точный код). Это предназначено для военного применения и обеспечивает большую защиту от помех.

Из-за энергетических ограничений в космосе сигналы слабые, примерно 50 Вт. Источником энергии выступают солнечные панели, а на темной стороне Земли, аккумуляторы.

Несущая волна кодируется уникальным образом, который идентифицирует спутник и навигационную информацию. Он разделен на 25 блоков, каждый из которых содержит 1500 бит, и отправляется непрерывно. Скорость передачи составляет 50 бит/с, поэтому для полной передачи требуется 12,5 минут. Информация содержит:

  • Информация об отклонении спутниковых часов от системного времени и информация о функциональности спутника.
  • Траектория орбитального полета (эфемериды), чтобы приемник знал положение спутника.
  • Информация, необходимая приемнику для компенсации ухудшения сигнала, вызванного прохождением через атмосферу. Без компенсации эти помехи привели бы к позиционным ошибкам.
  • Так называемый альманах, который содержит информацию об орбитальных траекториях других спутников, ошибках часов и функциональности.

Технология кодирования позволяет всем спутникам передавать на одной и той же частоте одновременно, не мешая друг другу (CDMA, множественный доступ с кодовым решением). Это кодирование гарантирует, что только получатели, которые знают коды, могут использовать систему. Код C/A широко известен, прост и доступен для всех.

4. Спутниковый приемник

Приемники сигналов с навигационных спутников бывают различных форм и размеров для различных применений.

  • Приемники без экрана (черный ящик) доступны от небольших "шайб" до продвинутых устройств. Используются, как часть более крупной системы.
  • Приемники с экраном для отображения местоположения, COG (Курс над землей), SOG (Скорость над землей) и т.д.
  • Приемники с экраном, предназначенным для отображения электронных карт или графических координат, с отображением местоположения судна в виде символа.
  • Плоттеры с экраном. Они могут быть загружены электронными картами и местоположение судна отображается символом. Более крупные устройства могут быть подключены к навигационной системе с лагом, компасом, радаром, эхолотом и другими приборами. Многие графопостроители − это автономные устройства.

                                       

Приемник от GeckoSystems,
который может работать
с
GPS/ Glonass и другими системами

Маленький GPS-приемник без экрана с подключением/ включением Bluetooth к компьютеру. Также доступен с разъемом USB

                                                             

Когда GPS объединяется с процессором, памятью, экраном и электронной картой, получается картопостроитель

Приемник, который отображает положение, COG и St OG. Может быть подключен к навигационной системе

 4.1. Загрузка (Запуск)

Время, необходимое для загрузки приемника разное, в зависимости, например, от того, является ли это начальной загрузкой или система переведена в "спящий" режим при выключении, его качества и производителя. Современные устройства загружаются быстрее

4.2. Горячий старт

Самая быстрая загрузка достигается, когда спутниковый приемник имеет доступ к текущему положению, времени, календарю и орбитальным данным. Эта ситуация возникает, когда устройство загружается более или менее в одном и том же месте и в течение нескольких часов после последнего местоположения.

4.3. Теплый старт

Время и календарь корректные, но орбитальные данные не абсолютно актуальны. Каждый спутник передает свои орбитальные данные каждые 30 секунд.

4.4. Холодный или Заводской запуск

Если приемник был выключен в течение нескольких недель, хранился без батарей или был перемещен на борт с момента последней записи, загрузка будет еще медленнее. Приемник должен найти все возможные спутники, чтобы получить всю необходимую информацию о каждом, так называемый альманах. Эти данные регулярно передаются каждые 12,5 минуты. 

Эти функции постоянно совершенствуются. Некоторые из новых приемников имеют очень короткое время загрузки.


Возврат к списку