Тема 8. Спутниковые системы.

Лекция 15. Системы спутниковой связи.

Сокращение GPS впервые возникло в США и означает Global Positioning System - Система Глобального Позиционирования. Строго говоря, это сокращение обобщенное, оно не является име­нем собственным ни одной из существующих систем. Американская система глобального спутникового позиционирования в процессе развития несколько раз меняла свое название и сейчас называется NAVSTAR. Это сокращение в официальных американских источни­ках расшифровывается как Navigation system with timing and ranging, навигационная система с определением времени и дальности. Ино­гда можно встретить и другой, не совсем корректный вариант: Navigation satellite timing and ranging, измерение времени и дально­сти посредством навигационного спутника.

Российская навигационная система имеет сокращенное назва­ние ГЛОНАСС (GLONASS) - Глобальная навигационная спутнико­вая система, или на английском языке Global Navigation Satellite System. Таким образом, на сегодняшний день существует две сис­темы глобального позиционирования, NAVSTAR и ГЛОНАСС, и бы­ло бы более правильным американскую систему называть NAVSTAR GPS, а российскую GLONASS GPS. Но по упомянутым выше историко- экономическим причинам, в мировой практике со­кращение GPS стало подразумевать под собой не только систему глобального позиционирования вообще, но и конкретно NAVSTAR. А когда за рубежом хотят упомянуть ГЛОНАСС, то часто делают оговорку "Russian GPS" или "GLONASS GPS". Аналогично, в рос­сийской практике, даже среди узких специалистов, принято отече­ственную систему называть ГЛОНАСС, а американскую просто GPS. Например, "Модуль частотно-временной синхронизации по сигналам ГЛОНАСС/GPS".

Так почему же для навигационных целей используется именно спутниковая система? Во-первых, истинную глобальность навига­ционного сервиса может обеспечить только использование спутни­ков, любая другая система заведомо будет иметь локальный харак­тер. Наземные станции можно разместить только на территории своей страны или дружественных стран, морские просторы в этом случае вообще не поддаются полному охвату. Во-вторых, исполь­зование станций, находящихся на земной поверхности, не позволя­ет с необходимой точностью определять высоту объекта. Кроме того, использование спутников, излучающих сверхвысокочастотный сигнал, позволяет сделать пользовательское оборудование по­настоящему мобильным. Мобильность повышается также за счет того, что максимально возможная функциональная нагрузка выне­ сена на спутники и наземные станции управления, а мобильное приемное устройство должно произвести лишь окончательную об­работку заранее подготовленной информации.

Каждый спутник, входящий в состав GPS, излучает радиосигнал определенного рода. Любое пользовательское устройство GPS, гра­жданское или военное, прежде всего, является приемником этих ра­диосигналов. Именно поэтому возникло устойчивое бытовое слово­сочетание "приемник GPS". Но сигналы недостаточно принять со спутников, необходимо произвести измерение их параметров, из­влечь заложенную в них информацию и произвести довольно слож­ные вычисления. Полученную информацию чаще всего необходимо отобразить в виде, понятном человеку. Устройство, которое проде­лывает все эти операции, называют пользовательским терминалом (или приемоиндикатором) GPS, тогда как просто приемник GPS обычно является лишь модулем более сложного устройства или ком­плексной системы. Но традиционно, в быту, мобильные терминалы GPS называют просто приемниками.

Военно-морские силы финансировали две программы, ставшие предшественниками GPS: Transit и Timation. Система Transit стала первой действующей спутниковой навигационной системой. Разра­ботанная в 1964 г. в лаборатории прикладной физики имени Джона Гопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера, система Transit состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излуча­ли очень стабильные радиосигналы. Несколько наземных станций слежения контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи системы Transit определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каж­дого спутника. Изначально разработанная Военно-морскими силами для управления подводными лодками с баллистическими ракетами Po­laris на борту и иными военными объектами, находящимися на по­верхности океана, в 1967 г. система Transit стала доступна для гра­жданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации больших коммерческих судов.

Несмотря на то, что система Transit обеспечивала основные потребности в навигации судов, она имела много недостатков: низкое быстродействие, потребность в дли­тельном наблюдении спутников, возможность позиционировать только стационарные или медленно движущиеся объекты, опреде­ление только двухмерных координат, отсутствие непрерывной дос­тупности (время, когда ни один из спутников не был виден, измеря­лось часами), необходимость самостоятельного внесения пользо­вателем коррективов для движущихся объектов - все это сделало невозможным применение системы в авиации и иных быстро дви­ жущихся объектах. Не последнюю роль сыграла и невозможность избирательно ограничивать доступ к системе. Тем не менее, зало­женные в Transit новые технологии были очень важны для после­дующего развития GPS. Так, например, в GPS используется алго­ритм предсказания спутников, впервые разработанный для Transit.

Второй предшественник GPS, Timation, был разработан в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория) под руководством Роджера Истона. Программа ис­следований стартовала в 1964 г. и включала в себя запуск двух ис­кусственных спутников, несущих на борту разработанные ранее сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигна­лов точного времени и определение двухмерных координат прием­ника. Основная идея состояла в использовании синхронизирован­ных передатчиков, излучающих закодированный сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее из­вестные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким обра­зом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.

Первый спутник, системы Timation запущенный в 1967 г., нес на борту сверхстабильные кварцевые часы, последующие модели ис­пользовали атомный стандарт частоты (рубидиевый и цезиевый). Атомные часы позволили значительно улучшить предсказание орбит спутников и существенно увеличить промежуток между корректировка­ми спутниковых часов с наземного пункта управления. Эти передовые разработки космического стандарта времени явились важнейшим вкладом в создание GPS. Фактически, последние два спутника систе­мы Timation являлись действующими прототипами спутников GPS. Тем временем, Военно-воздушные силы США работали над аналогичной технологической программой, впоследствии названной "Система 621В". Она предоставляла возможность трехмерной (ши­рота, долгота и высота) навигации с непрерывным доступом. В 1972 г. была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников - кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала. В этом вари­анте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая мо­дулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом (ПСК), индиви­дуальным для каждого спутника. Спектр такого сигнала весьма по­хож на спектр случайного шума с распределением по Гауссу, отчего сигнал и получил название шумоподобного.

Лекция 15. Спутниковые навигационные и мониторинговые системы.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одно­ временно по нескольких спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до милли­ардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения по­требителя до м. Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых независимых стандартов частоты с относительной не­стабильностью 1- 10" 13 и наземного водородного стандарта с отно­сительной нестабильностью 1-10" 14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью нс. С помощью этих средств и специального математического обес­печения производится определение расхождений бортовых шкал времени с наземной шкалой и их прогнозирование для каждого спутника системы. Результаты прогноза в виде поправок к спутни­ковым часам относительно наземных закладываются на соответст­вующие спутники и передаются ими в составе цифровой информа­ции навигационного сигнала. Потребителями, таким образом, уста­навливается единая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системы не превышает нс.

Большой вклад в повышение точности эфемерид навигационных спутников внесли результаты работ по программе геодезических и геофизических Исследований с помощью специальных геодезиче­ских спутников "Космос-842" и "Космос-911", которые были выведе­ны на навигационные орбиты. Это позволило уточнить координаты измерительных средств и вычислить коэффициенты согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для опреде­ления и прогнозирования параметров навигационных орбит. В ре­зультате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину м, а среднеквадратическая погрешность опреде­ления морскими судами своего местоположения уменьшилась до м. Для оснащения широкого класса морских потребителей разра­ботаны и серийно изготавливаются комплектации приеме индикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн", Последняя имеет возмож­ность работы и по спутникам американской радионавигационной системы "Транзит".

Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Достижение необходи­мой точности эфемерид навигационных спутников потребовало про­ведения большого объема работ но учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью дви­гательных установок и газоотделением материалов покрытий. Для экспериментального определения параметров геопотенциа­ла на орбиты навигационных спутников были запущены два пас­сивных ИСЗ "Эталон" ("Космос-1989'" и "Космос-2024"), предназна­ченных для измерения параметров их движения высокоточными квантово-оптическими измерительными средствами. Благодаря этим работам достигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30 ч составляет? вдоль орбиты - 20 м; по бинормали к орбите - 10 м; по высоте 5 м (СКО). Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигацион­ной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в ок­тябре 1982 г. запуском спутника "Космос-1413"...»

Основное назначениеНКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самогоНКА. В состав стандартногоНКА вхо­дят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудова­ние для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭВМ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные ба­тареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. СовременныеНКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и эле­менты систем боевого управления.ИзлучаемыеНКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потре­бителями непосредственно для определения навигационных пара­ метров - дальности доНКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая со­держит информацию о координатах спутников, шкале времени, век­торах скоростейНКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и за­кладывается в бортовую памятьНКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппарату­рой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.

В перечень систем отсчета времени, используемых в СНС вхо­дят как системы, на которых базируется работа активной стороны СНС (сегмент управления иНКА), так и системы, применяемые пассивной стороной - потребителем. Во многих случаях потребите­лю более интересны параметры времени применительно к мест­ным условиям, поэтому далее мы рассмотрим как всемирные, так и местные системы отсчета времени. Всемирное время UT (Universal Time). Это время иначе назы­вается гринвичским средним солнечным и содержит год, месяц, число, час, минуту и секунду. Система введена в 1928 г. Ill Гене­ральной ассамблеей Международного астрономического союза. Год, месяц и число отсчитываются по Григорианскому календарю, остальные величины - по местному среднему времени t UT на Грин­вичском меридиане. Время far измеряется по часовому углу средне­го Солнца относительно Гринвичского меридиана плюс 12 ч. Так как существует движение полюсов Земли, то происходит изменение по­ложения меридианов, и, в зависимости от того, какие поправки вне­сены, различают следующие разновидности всемирного времени: UT0 - всемирное время, получаемое в результате текущих ас­ трономических измерений относительно неуточненного Гринвичско­го меридиана; 11ТЛ - всемирное время среднего Гринвичского меридиана с учетом движения полюсов. Это время является основой для измерения времени.

К основным навигационным характеристикамНКА относятся: зона обзора зона видимости продолжительность наблюдения Зоной обзораНКА называется участок земной поверхности, на котором можно принимать сигналыНКА и осуществлять за ним на­блюдение. Центром зоны обзора является географическое место спутника - точка 0 3, расположенная в месте пересечения земной поверхности с линией, соединяющей центры масс Земли иНКА. При движении спутника по орбите на поверхности Земли образует­ся совокупность географических мест - трасса спутника. Очевид­но, что трасса спутника не поднимается выше географической ши­роты, равной /. Географическая широта и долгота точки 0 3 могут быть найдены из выражений Ф = arcsin(sin usin /); X = Q. - S r + arctg(tg и cos /) + Ut, (2.13) где Q = &Q/T - угловая скорость прецессии узла орбиты; S r - грин­вичское звездное время; /', и, О,- параметры орбиты. Размер зоны обзора характеризуется величиной утла и зависит от высоты Н А полета спутника, так как зона обзора ограничена линией истинного горизонта. Величина р тах может быть найдена из выраже­ния p max = arCCOS [Я 3 / (Я 3 + Н А )].

Полная (проектная) группировкаНКА системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, равномерно распределенных в трех орбиталь­ных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены отно­сительно друг друга на 120° по абсолютной долготе восходящего узла и имеют условные номера 1, 2 и 3, возрастающие по направ­лению вращения Земли. В каждой орбитальной плоскости расположено по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°. Орбитальные плоскости сдвину­ты друг относительно друга на 15°, т.е. спутники в соседних орби­тальных плоскостях смещены на 15° по аргументу широты. Нуме­рация позиций спутников производится по порядку их последова­тельности на орбите в определенный момент времени и против их движения. Спутникам 1 й орбитальной плоскости присвоены номе­ра 1...8, 2-й орбитальной плоскости , 3-й По состоянию на 0 ч 00 мин 00 с Московского времени 1 января 1983 г. аргументы широты спутников описывались выражением 145°26'37" + 15°(27 - Зу + 25 к), где у = ; /с= целая часть числа (/-1)/8. Орбиты спутников являются близкими к круговым, с высотой км (номинальное значение км). Наклонение орбиты - 64,8° с точностью ± 0,3°. Точность выведения спутника в заданную точку орбиты составляет 0,5 с по периоду обращения, ±1 ° по аргументу широты и ±0,01 по эксцентриситету.

Точность координатно-временных измерений может быть достигну­та при наличии в системе 21 спутника, по семь в каждой орбиталь­ной плоскости, а остальные используются в качестве "горячего" ре­зерва. Непрерывность навигационного поля системы ГЛОНАСС обеспечивается на высотах до 2000 км. Система сохраняет полную функциональность при одновременном выходе из строя до 6 НКА (по два в каждой плоскости). Интервал повторяемости трасс движенияНКА и, соответствен­но, зон радиовидимости наземными потребителями составляет 17 витков или 7 сут 23 ч 27 мин 28 с. Отсюда видно, что СНС ГЛОНАСС не является резонансной (или синхронной), т.е. спутни­ки в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхро­низма) с вращением Земли. Начало каждого витка смещается отно­сительно поверхности Земли приблизительно на 21° по долготе и орбита каждогоНКА имеет многовитковый след. Благодаря этому возмущающее влияние нецентральности гравитационного поля Земли на орбитыНКА значительно снижается и является одинако­вым для всехНКА. Как следствие, орбитальная группировка СНС ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с GPS, имеющей син­хронные 12-часовые орбиты. Орбитальная группировка ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существованияНКА.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ : 1. Телекоммуникационные системы. СПб,Питер, 2004 (электронная версия 2. В.Юров ASSEMBLER, СПб, Питер, В.Л.Бройдо Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, Питер, Ю.Кетков,А.Кетков Практика программирования,СПб, Ульрих В.А. Микроконтроллеры PICI67 х: Семейство восьмиразрядных КМОП микроконтроллеров с аналого-цифровым преобразователем / Под ред. С.Л. Корякина-Черняка. – СПб.: Наука и техника, А.В.Белов, Создаем устройства на микроконртоллерах, СПб, А.В.Ватаманюк, Беспроводная сеть, Питер, Радиотехнические системы: Учебн. Для вузов/Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. – М.:Высш.шк., с. 9. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Радиоэлектронные системы в информационном конфликте. М.: ВК, ГОСТ Средства измерений электронные. Технические требования в части безопасности. Методы испытаний.