Лекция 3. Общие принципы построения глобальных навигационных систем

1. Общие принципы построения СНС. 2. Космический сектор. 3. Сектор управления и контроля. 4. Сектор потребителя.

1. Общие принципы построения СНС СНС строятся на основе использования односторонних методов измерения расстояний. При реализации такого метода спутниковая радиодальномерная система распадается на две основные составные части: устанавливаемое на спутнике передающее устройство; приемно-вычислительный комплекс, находящийся в распоряжении наземного потребителя.

Для поддержания постоянной работоспособности такой спутниковой системы без ухудшения основных ее технических показателей возникает необходимость в использовании служебной подсистемы управления и контроля. Поэтому современные спутниковые системы позиционирования включают в себя три основные составные части, получившие название секторов: 1) космический сектор; 2) сектор управления и контроля; 3) сектор потребителя.

Общее представление о взаимодействии перечисленных секторов позволяет получить схема

Космический сектор включает в себя набор входящих в систему спутников. Такой набор часто называют «созвездием». Установленная на спутниках аппаратура, выполняющая роль передающей части одностороннего радиодальномерного комплекса, осуществляет передачу на землю как радиосигналов, на основе которых измеряется расстояние между спутником и наземным пунктом наблюдения,

так и навигационного сообщения, в котором содержится информация об эфемеридах спутников, о поправках к показаниям его часов, об альманахе, несущем в себе усеченную информацию о всех входящих в «созвездие» спутниках, а также некоторую другую служебную информацию. Сектор управления и контроля стоит из центральной (ведущей) станции и нескольких разбросанных по всему земному шару станций слежения.

Основная цель этого сектора состоит в осуществлении контроля за работоспособностью спутников, систематическом уточнении эфемерид каждого из них, корректирование показаний часов, установленных на спутниках, периодическом обновлении содержания навигационного сообщения и др.

Сектор потребителя объединяет в себе всю совокупность широко распространенной аппаратуры пользователей, с помощью которой осуществляется прием радио- сигналов от спутников.

2. Космический сектор. Космический сектор включает в себя действующие и резервные спутники, оснащенные солнечными батареями и распределенные по нескольким орбитам. Аппараты сохраняют стабильное заданное положение на орбите, принимают и хранят информацию с наземных станций и непрерывно предают измерительные радиосигналы.

Причем, информация «встраивается» в радиосигнал путем его модуляции, т.е. изменения на определенном участке частоты, фазы или амплитуды. В приемной аппаратуре эта информация выделяется из сигнала путем его демодуляции.

На каждом спутнике имеется несколько эталонов частот и времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов, бортовой компьютер и др. В системе GPS спутники распределены по шести орбитам. Это обеспечивает прием сигналов в любое время, как минимум, от четырех спутников в любой точке Земли.

Основой является высокостабильный опорный генератор, работающий на частоте f 0 = 10,23 МГц. Сигналы, называемые несущими частотами и обозначаемые как L1 и L2, формируются умножением основной частоты опорного генератора f 0 =10,23 МГц на некоторые константы и используются для точных измерений дальностей фазовым методом, причем L1=f 0 f L1 =10, = 1575,42 МГц, λ=19,03 см L2=f o f L2 =10, = 1227,60 МГц, λ=24,45 см

Все спутники GPS работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код, по которому и распознается среди других. Для определения дальностей выполняется модуляция несущих частот L1 и L2 бинарными (состоящими из нулей и единиц) кодами С/А и Р.

Код С/А разработан для гражданских целей и трактуется как грубый. Он передается только на частоте L1 каждую миллисекунду, что соответствует длине тактовой волны 293 м. Короткая длительность С/А кода позволяет легко захватить сигнал спутника на частоте L1.

Код Р трактуется как точный и предназначен для военных приложений. Передается на частотах L1 и L2. Длина тактовой волны 29,3 м. Длительность передачи Р кода составляет 266,4 суток. Для защиты от несанкционированного доступа. Общая длительность Р-кода разбита на недельные отрезки, распределенные по всем спутникам системы, т.е. Р-код каждого спутника меняется через неделю.

В мае 2010 году запущен спутник GPS IIF. В результате активирована передача сигнала на частоте L 5 = 1176,45 МГц. Сигнал L5 нового спутника GPS IIF показывает весьма высокую стабильность, и занимает промежуточное положение между сигналами L1 и L2.

В системе ГЛОНАСС спутники распределены по трем орбитам и расположены на расстоянии км от поверхности эллипсоида. Спутник ГЛОНАСС - М

Для формирования сигналов L1 и L2 используется установленный на спутнике эталонный генератор основной частоты f 0 = 5,11 МГц. Причем, значения несущих частот связаны с основной частотой f 0 и номером спутника k следующими зависимостями: L1 =f o f L1 + 0,5625 k, λ = 18,7 см L2=f 0 f L2 + 0,4375 k, λ = 24,1 см

Сигнал L1 модулируется кодами ВТ (высокой точности) и СТ (средней точности), а сигнал L2 - только кодом ВТ. Длина тактовой волны кода CТ равна 587 м, а кода ВТ - 58,7 м.

3. Сектор управления и контроля. Для поддержания постоянной работоспособности всего космического сектора и систематического обновления передаваемой потребителю информации, в современных СНС предусматривается специальный постоянно действующий сектор, получивший название сектора управления и контроля.

Данный сектор призван выполнять следующие функции: осуществлять непрерывное отслеживание всей передаваемой спутниками информации; производить обобщение и анализ такой информации с целью своевременной корректировки всех используемых при дальнейшей обработке показателей; на основе выполняемого анализа предсказывать эфемериды наблюдаемых спутников и передаваемое со спутников потребителям точное время;

через строго определенные интервалы времени формировать обновленные навигационные сообщения и передавать такие сообщения по радиоканалу на соответствующие спутники; выявлять неисправности в работе спутников и принимать меры по их устранению; осуществлять корректировку орбит спутников не только за счет введения соответствующих поправок, но и посредством дистанционного управления находящимся на борту спутника реактивным двигателем.

Среди различных контролируемых и корректируемых параметров повышенное внимание уделяется периодическим уточнениям эфемерид и показаний часов спутников. Корректировка показаний спутниковых часов осуществляется посредством сравнения принятых по радиоканалу отсчетов времени по этим часам с соответствующими показаниями наземных опорных часов, входящих в состав сектора управления и контроля.

Реализация перечисленных функций базируется на четком взаимодействии входящих в этот сектор станций различного назначения. станции слежения, ведущая станция загружающие станции. Это - станции слежения, ведущая станция и загружающие станции. Рабочий сектор управления и контроля GPS системы состоит из одной ведущей станции управления, пяти станций слежения и трех загружающих станций.

Пять станций слежения осуществляют круглосуточные отслеживания спутников. Они равномерно распределены по всему земному шару.

Отслеживание спутниковых сигналов осуществляется с помощью двухчастотных специализированных приемников, оборудованных атомными часами. Координаты этих станций известны с высокой степенью точности. Рассматриваемые станции слежения работают полностью в автоматическом режиме, а их управление осуществляется с ведущей станции.

Определение расстояний до спутников производится на основе использования кодовых сигналов. При этом псевдодальности на станциях слежения измеряются с точностью около 2,5 м каждые полторы секунды. На основе таких измерений уточняются текущие значения эфемерид спутников и осуществляется их предсказание на ближайшее будущее.

Ведущая станция управления, находящаяся в Колорадо-Спрингс, является рабочим центром всей системы GPS. Операции управления целиком закреплены за этой станцией. Она непрерывно собирает информацию от всех перечисленных выше станций слежения. Наряду с этим осуществляется формирование навигационного сообщения с параметрами орбиты для индивидуального спутника и с поправками к показаниям его часов, а также альманаха. Три раза в сутки навигационное сообщение передается на спутники с помощью загружающих станций.

Через станции загрузки ведущая станция может корректировать орбиты спутников как за счет введения соответствующих поправок, так и с помощью управления находящимся на борту спутника реактивным двигателем. Кроме того данная станция может управлять режимом работы активных резервных спутников, переводя их в необходимых случаях в рабочий режим.

Три наземные загружающие станции расположены на атоллах Диего-Гарсиа и Кваджалейн, а также на острове Вознесения.

Входящие в их состав антенные устройства представляет собой большие параболические зеркальные антенны диаметром около 10 м. Они используются для передачи навигационных сообщений, а также команд управления на спутники. Передача осуществляется на частоте 1783,74 МГц.

Управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой (г. Голицыно-2, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по всей территории России.

4. Сектор потребителя. Среди основных составных частей глобальной системы позиционирования GPS наибольший интерес для пользователей представляет приемно- вычислительный комплекс, составляющий основу сектора потребителя.

Этот сектор объединяет в себе все компоненты, позволяющие потребителю получать интересующую его информацию о местонахождении пункта наблюдений, о показаниях точного времени, а применительно к движущимся объектам скорость и направление их перемещения. Специфика работы приемно- вычислительного комплекса существенно зависит от той категории потребителей, на которые принято их подразделять.

В частности эксплуатируемая система GPS ориентирована на ее использование военными и гражданскими пользователями. Характерная особенность работы аппаратуры, предназначенной для военных пользователей, состоит в том, что эта аппаратура должна работать оперативно и надежно в условиях проведения военных действий, обеспечивая при этом требуемую точность местонахождения не только неподвижных пунктов наблюдения, но и движущихся объектов.

Применительно к таким условиям принимаются все меры для того, чтобы использование рассматриваемой системы позиционирования было недоступным для потенциального противника. Гражданские пользователи GPS, в свою очередь, подразделяются на две основные подгруппы. Первая из них ориентирована на использование GPS в навигации, а вторая - на геодезическое использование.

К основным функциям находящегося в распоряжении потребителя приемно- вычислительного комплекса могут быть отнесены следующие: прием радиосигналов от наблюдаемых GPS спутников; организация определений регистрируемых величин; выполнение предварительной обработки полученных результатов измерений непосредственно на пункте; проведение в камеральных условиях так называемой «постобработки».

Любой спутниковый приемник в рабочем состоянии принимает и обрабатывает сигналы спутников, расшифровывает навигационные сообщения и преобразует полученную информацию в значения координат, скорости и времени. В нем можно выделить несколько устройств: антенну с соответствующей электроникой, радиочастотный блок, электронную систему слежения, навигационный микропроцессор блок питания.

Антенна приемника предназначена для приема радиоволн. Радиочастотный блок предназначен для преобразования принятой антенной радиочастоты в более низкую (промежуточную) частоту, более эффективную для использования другими блоками приемника.

Система слежения осуществляет выделение сигналов определенных спутников, «захватывает» изменяющийся по частоте или времени сигнал, принимает соответствующие навигационные сообщения, расшифровывает их и выполняет необходимые измерения. Микропроцессор приемника осуществляет обработку преобразованного в цифровую форму сигнала и поддержку системы слежения.

Спутниковые приемники можно классифицировать по: спутниковым системам. Подавляющее большинство приемников принимает сигналы только одной системы (GPS, ГЛОНАСС), некоторые двух систем (GPS, ГЛОНАСС) или даже трех (GPS, ГЛОНАСС и Gallileo). числу принимаемых частот (одночастотные, принимающие сигналы только на частоте L1 и двухчастотные, способные принимать сигналы на частотах L1 и L2).

параметрам наблюдений (кодовые, ориентированные на работу с С/А-кодом или Р- кодом, и кодово-фазовые); назначению - приемники ориентируются на задачи геодезии, навигации, геологии, различных диспетчерских служб, телекоммуникации, ГИС-приложений, военные задачи и др.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Лабораторная работа 1 «Вычисление прямоугольных координат по геодезическим»

Цель работы: преобразовать геодезические координаты B и L какой-либо точки расположенной в зоне с осевым меридианом L в плоские прямоугольные координаты x, y этой точки. Исходные данные: Долгота осевого меридиана L=21 B= 51 38´ 43,9023´´ L= 2402´13,1360´´+ N´ где N- номер варианта

Формулы для решения:

Координаты x и y вычислить с точностью до 0,001 м. Результаты решения представить в виде таблицы.

Формулы Результаты Формулы Результаты 1 B0B0 51, a6a6 -0, В // , a3a3 -0, В // /ρ // 0, a5a5 -0, sinB0, sinBcosB0, cosB0, l2l2 0, сos 2 B0, N l ,096 7 l 0 =L-L 0 3, ,4969В // /ρ // ,800 8 l // 10933, x ,725 9 l=l // ρ // 0, l+(a 3 +a 5l 2 )l 2 0, N , [21]lcosB0, a 32088, y , a4a4 0,