Краткая характеристика спутниковых навигационных систем (СНС)
Система GNSS основана на использовании GPS и/или ГЛОНАСС в гражданских целях. GPS введена в действие в 1994, а ГЛОНАСС – в 1996 году. GPS и ГЛОНАСС представляют собой автономные среднеорбитные спутниковые системы определения местоположения, позволяющие с высокой точностью определять пространственные координаты подвижных и неподвижных объектов на поверхности Земли и в околоземном пространстве, а также осуществлять точную координацию времени.
Организация работы обеих систем является схожей, и GPS, и ГЛОНАСС состоят из трех основных сегментов:
- управляющий сегмент с наземным оборудованием для контроля за спутниками и обработки передаваемой ими информации. Система оперативного контроля обеспечивает контроль и координацию всей глобальной системы. Она выполняет три основные функции: слежение за спутниками, прогнозирование параметров их движения и пересылку информации. Состоит из нескольких контрольных станций и наземных антенн;
- космический сегмент GPS и ГЛОНАСС состоит из24 спутников: 21 рабочих и 3 резервных, расположенных практически на круговых орбитах таким образом, что с любой точки Земли обеспечивается постоянное наблюдение одновременно 4+8 спутников с углом возвышения над горизонтом более 15°. При этом каждый спутник может находится в поле зрения наблюдателя до 5 часов.
Конфигурация расположения спутников в системах GPS и ГЛОНАСС несколько различна: в системе GPS спутники равномерно распределены на 6 орбитах, плоскости которых наклонены под углом 55° к плоскости экватора и на каждой орбите находится по 4 спутника. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 60°.
В системе ГЛОНАСС спутники равномерно распределены на 3 орбитах, плоскости которых наклонены под углом 64.8° к плоскости экватора и на каждой орбите находится 8 спутников. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом в 120°.
Следует отметить, что большой угол наклонения орбит ГЛОНАСС делает более предпочтительным использования этой системы в полярный широтах;
- сегмент пользователя состоит из неограниченного количества приемников, который принимают сигналы от спутников и производят расчёты текущих координат и других навигационных параметров.
Основные технические и функциональные характеристики систем:
GPS и ГЛОНАСС
Спутники (космический сегмент):
Созвездие………………………………… 24 спутника 24 спутника
(4 спутника х 6 орбит) (8 спутников х орбиты)
высота………………………………………. 20 200 км. 19 100 км.
период…………………………………….. 11 ч. 56 мин. 11 ч. 15 мин.
наклон…………………………………….. 55о 64,8о
расчетный ресурс спутника……. 7,5 лет не менее 3 лет
(в будущем не менее7 лет)
Наземные станции
(сегмент управления):
главная станция управления…… 1 -
центр управления…………………….. - 1
станция ввода данных на НКА… 8 -
командные станции слежения… - 8
контрольные станции ………..…… 1 -
лазерные станции слежения…… - 1
Радиочастотный канал:
несущая частота………………………. 1575,42 МГц (L1) 24 частоты в
диапазоне L1
уровень мощности сигнала……. – 160 дБВт – 161 дБВт
(на поверхности Земли) (на поверхности Земли)
Точность определения:
местоположения:
в горизонтальной плоскости…100 м (вероятность 95%) 28 м (вероятность 95%)
300 м (вероятность 99,99%)
по вертикали……………………156 м (вероятность 95%) 60 м (вероятность 95%)
скорости……………………………не превышает 2 м/с 15 см/с (вероятность 99,7%)
времени………………………… 340 нс (вероятность 95%) 1 мкс
Зона действия……………………………. глобальная глобальная
Количество одновременных
пользователей…………………………… не ограничено не ограничено
Система координат……………… Всемирная геодезическая Параметры Земли
система 1984 (WGS-84). 1990 года (ПЗ-90)
Неподвижная, с началом Неподвижная, с началом
в центре Земли в центре Земли
Принципы навигационных измерений с помощью искусственных спутников
Земли.
Координаты потребителя в системе ГЛОНАСС определяются по измеренным БОСН псевдодальностям до НКА(навигационных космических аппаратов). Псевдодальности рассчитываются в соответствии с соотношением:
Di = cti,
где Di – псевдодальность до i-го НКА;
С – скорость распространения радиоволн;
Ti – временная задержка сигнала i-го НКА.
Временные задержки определяются в результате сравнения принятых псевдослучайных даль номерных кодов НКА и генерируемых в БОСН копий этих кодов с учетом предварительно известных моментов излучения сигналов НКА.
 |
Рис.29.1 система ГЛОНАСС
Каждый НКА излучает радиосигнал содержащий индивидуальный дальномерный код, который позволяет однозначно определить временной интервал ti между моментом излучения сигнала по спутниковым часам и момента приема сигнала антенной потребителя по часам БОСН. Временные шкалы всех НКА синхронизируются путем использования атомных спутниковых часов и периодически корректируются по данным наземных станций слежения и управления. Таким образом, временная задержка ti будет складываться из времени прохождения сигнала i-го НКА между спутником и потребителем ti и сдвига временной шкалы БОСН относительно временной системной шкалы Δt.
В основе определения координат потребителя (x,y,z) и сдвига временной шкалы БОСН Δt лежит решение системы уравнений:
= 
+ cΔt + Δdi, (29.1)
Где - точное значение дальности до i-го НКА;
x, y, z – прямоугольные координаты потребителя (БОСН) в геоцентрической системе координат (ГСК)
xi, yi, zi – прямоугольные координаты i-го НКА в ГСК (ПЗ-90 для ГЛОНАСС)
Δdi – погрешность определения псевдодальности до i-го НКА.
При этом наличие четырех неизвестных приводит к необходимости использования сигналов по крайней мере четырех НКА и соответственно решению четырех уравнений (29.1).
Координаты НКА xi, yi, zi, используемые в системе уравнений(29.1), вычисляются в любой требуемый момент времени на основе эфемерид НКА по специальным алгоритмам в БОСН. Эфемериды каждого НКА, характеризующие его положение на фиксированные моменты времени, передаются в составе навигационного сообщения.
При полной развернутой системе ГЛОНАСС в зоне видимости потребителя обычно находится от пяти до восьми НКА. В первых образцах БОСН решалась задача выбора по определенному критерию наилучшего созвездия из четырех НКА. В современном БОСН, как правило, решается система уравнений (29.1), число которых более четырех, при этом используется интерактивный метод наименьших квадратов, что позволяет получить оптимальные значения искомых параметров.
В результате решения системы уравнений (29.1) определяются прямоугольные геоцентрические координаты потребителя (x, y, z) в системе координат ПЗ-90, которые в навигационном процессоре БОСН по специальному алгоритму преобразуются в координаты, обычно используемые потребителем для решения навигационных задач. Как правило, в БОСН используются геодезические координаты φ(широта), λ(долгота), h(высота) над уровнем опорного эллипсоида(Красовского 1942г – СК 42, WGS-84 и др.)
Основные принципы навигационных определений, реализованные в системе ГЛОНАСС, используются также в американской системе GPS.