95

Лекция №23

2. Спутниковые навигационные системы (СНС)

4-ого октября 1957 года в Советском Союзе впервые в мире был запущен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ). Этот маленький спутник, по

современным стандартам, весом приблизительно 84 килограмма, был выведен на околоземную орбиту с апогеем 942 км и перигеем 230 км. Период вращения вокруг

Земли составлял 96 минут, (спутник находился на орбите до начала 1958 года). Так началась так называемая "Космическая эра" [13,15].

В 1957 г. группа советских ученых под руководством академика В. А.

Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственных спутников Земли по результатам измерений

доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, в точке приема с известными координатами. Была установлена также возможность решения и обратной задачи - нахождение координат точки приема по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, параметры движения

которого известны [1,2,3].

Использование ИСЗ в качестве радионавигационной опорной станции, координаты которой хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени, позволило создать ряд проектов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

В настоящее время ИСЗ широко используются в различных областях народного

хозяйства, в том числе и на морском флоте, где наибольшее распространение спутники нашли для целей навигации, морской радиосвязи, спасения на море, гидрометеорологии и др.

Использование спутниковых систем для этих целей становится возможным,

если установить на ИСЗ соответствующую радиотехническую аппаратуру, которая

должна быть связана по радиоканалу с судовой аппаратурой.

Для управления работой ИСЗ на Земле должна быть размещена сеть специальных станций. Назначение спутниковой системы существенно влияет на вид орбиты ИСЗ, а это в свою очередь определяет характеристики его

радиотехнической аппаратуры.

Наземные станции управления располагают таким образом, чтобы можно было

осуществлять регулярный контроль (слежение) за траекторией спутников и передачу необходимой информации на них. Для этого требуется обычно несколько станций слежения, расположенных в различных районах земного шара, координационновычислительный центр и станции ввода данных на спутники об изменении их траектории. Обновление данных на ИСЗ должно выполняться с такой периодичностью, чтобы точность определения не выходила за гарантированные

пределы.

Аппаратура на спутнике должна обеспечивать прием сигналов наземных станций (а в некоторых системах — и судового оборудования) и излучение собственных сигналов с мощностью, достаточной для работы во всей зоне радиовидимости ИСЗ.

Излучаемые навигационными ИСЗ (НИСЗ) радиосигналы должны содержать информацию о его траекторных данных в течение всего времени работы системы. Для этого на НИСЗ имеется запоминающее устройство, способное хранить траекторные данные спутников, рассчитанные наземными станциями, до их следующего обновления. Антенное устройство ИСЗ обладает направленностью,

позволяющей производить излучение сигналов со спутника к поверхности Земли.

96

Диапазон радиоволн, используемых в спутниковых РНС, выбирают исходя из условий наименьшего затухания в атмосфере и возможности применения антенн

небольших размеров как на спутниках, так и на судах. Наилучшими в этом отношении оказываются метровые, дециметровые и сантиметровые волны, на

которых можно передавать сигналы с широкой полосой частот, т. е. с большим содержанием информации.

Типы орбит ИСЗ

Высота орбиты ИСЗ определяется, прежде всего, площадью поверхности, на которой одновременно он должен быть виден, и связана с мощностью излучения передатчика спутника. При облучении большой поверхности необходима большая

высота орбиты и, следовательно, большая мощность передатчика. При малой высоте мощность излучения может быть уменьшена, но в этом случае спутник

быстро проходит над данным районом, что сокращает время определения по нему. Кроме того, при небольшой высоте из-за сильного торможения в атмосфере орбита спутника существенно изменяется и его срок службы сокращается. Поэтому, на

высоту, меньшую 200 км, спутник запускать нецелесообразно.

Важная эксплуатационная характеристика СНС – размер зоны радиовидимости (величина обслуживаемой поверхности) ИСЗ. Под зоной радиовидимости понимается малый круг на поверхности Земли, в пределах которого могут приниматься сигналы данного ИСЗ (см. рис.2.1) [1,3].

Сферический диаметр Q зоны радиовидимости определяется уравнением

secQ/2 =1+H/R3,

где: H – высота орбиты ИСЗ; R3 – радиус Земного шара.

При движении спутника по орбите зона радиовидимости будет также перемещаться, образуя на поверхности Земли полосу

радиовидимости, которая в силу суточного вращения Земли будет

постоянно смещаться к западу.

Это смещение d за время Тс, равное одному обороту спутника

вокруг Земли, в функции широты φ и угла і наклонения орбиты

определяется выражением:

d = 15 Тс sini·cosφ .

Величина обслуживаемой поверхности зависит от периода

обращения спутника вокруг Земли Тс и частоты его пролета в

данном районе, поэтому характер орбиты (ее вид и наклон)

выбирается соответствующим образом. Чем выше орбита, тем

больше период обращения ИСЗ. При орбите, близкой к круговой, высота изменяется незначительно, расчет Рис.2.1. Зона радиовидимости СНС траектории спутника и слежение за ним проще, но

вывод спутника на орбиту сложен. Эллиптическая орбита затрудняет слежение за

спутником и учет всех сил, действующих на него, однако вывод на орбиту

оказывается более простым.

В зависимости от угла наклона орбиты i относительно плоскости экватора все спутники разделяют на экваториальные (i = 0), наклонные (0<i<90°) и полярные (i = 90°).

Экваториальные спутники все время вращаются в плоскости экватора. Низкие

спутники перемещаются над поверхностью Земли и видны всегда в одной и той же полосе наблюдения, ширина которой, например, при высоте спутника 1000 км равна

97

3600 миль. Если ИСЗ выведен на круговую орбиту с высотой 35 870 км и вращается с запада на восток с периодом Тс =24 ч, он находится все время над одной и той же

точкой Земли и с этой точки кажется неподвижным (стационарный спутник). Такой спутник виден на поверхности земного шара, ограниченной центральным углом 162°,

от широты 81° Южного полушария до широты 81° Северного полушария. Практически один стационарный спутник в состоянии обслужить акваторию всего Тихого океана.

Три экваториальных стационарных спутника, расположенных в пространстве через 120° относительно друг друга, могут обеспечить передачу сигналов на всю

поверхность Земли (за исключением полярных областей). Из пяти спутников, равномерно расположенных на стационарной орбите, можно одновременно использовать два. При определении места по таким спутникам достаточно знать их

долготу. Для обслуживания также и полярных районов могут применяться квазистационарные (синхронные) спутники с суточным периодом обращения, но с

небольшим (5°...7°) наклоном орбиты относительно плоскости экватора.

Наклонные спутники, с наклоном орбиты под углом 30° ... 60° к экватору, могут иметь орбиту высотой от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч

километров. При большой высоте они видны на большой поверхности Земного шара, поэтому даже при небольшом их количестве можно обслуживать весь Земной шар.

Полярные спутники вращаются в плоскости меридиана, но из-за вращения Земли они периодически проходят над всеми районами Земного шара.

Если полярная орбита имеет высоту около 1000 км, торможение от атмосферы

незначительно и спутники при массе несколько десятков килограммов могут существовать в течение десятков лет. Диаметр зоны видимости ИСЗ при такой высоте равен 3600 миль, т. е. одновременно он виден на достаточно большой территории. Обращение вокруг Земли осуществляется за 105 мин. Полоса наблюдения за один оборот спутника смещается к западу на 1500...800 миль (в широте 0°... 60°), т. е. на последующих витках спутника полосы частично перекрываются. Продолжительность наблюдения спутника равна 16 мин, если

трасса спутника проходит через точку наблюдения. При смещении точки

наблюдения относительно трассы на расстояние 1000 миль время наблюдения уменьшается приблизительно до 14 мин.

За одни сутки такой полярный спутник можно использовать для наблюдения

два раза на экваторе и четыре раза на широте 60°. Для получения дискретности

определения 0,5. . . 1,5 ч в любой точке земного шара необходимо иметь 5 ... 6

спутников на орбитах, равномерно смещенных вокруг Земли. Определение по спутнику невозможно, если он виден под углом менее 7° относительно горизонта, изза больших помех и затухания радиоволн в атмосфере.

При определении места необходимо учитывать искривление пути радиоволн

при их распространении через ионосферу, которое зависит от угла места спутника и частоты принимаемых колебаний.

Если используются метровые и дециметровые волны без учета ионосферной

рефракции, ошибка в местоположении может достигать нескольких сотен метров. На сантиметровых волнах ошибка практически отсутствует и может быть полностью

исключена при одновременном измерении навигационного параметра на двух различных частотах.

98

2.1.Типы спутниковых систем 2.1.1.Спутниковые радионавигационные системы (СРНС)

Использование навигационных искусственных спутников Земли для определения места судна в море возможно с помощью радиосигналов,

"связывающих" судно со спутником, который в данном случае является навигационным ориентиром с известными координатами [1,13].

Место судна может быть определено принципиально одним из двух способов:

1.На судне - по радиосигналам спутника при известных его координатах в течение всего времени движения НИСЗ или на момент определения места.

Этот способ является основным и используется в различных действующих спутниковых РНС. Определение места осуществляется обычно в пассивном режиме, при котором на судне ведется только прием сигналов. (Возможен и активный

режим, требующий установки на судне приемопередающей аппаратуры).

2.На наземной контрольной станции - по радиосигналам запроса со спутника и

ответа с судна.

Ответ судна не содержит данных о его координатах, рассчитываются они на

контрольной станции, где имеются траекторные данные спутника и данные о моменте получения ответа судна. Такой способ пригоден для оперативного

определения местоположения судов всего флота.

При беззапросном варианте спутник не запрашивает судно, а лишь принимает от него радиосигналы. При этом контрольная станция получает данные для определения места судна. В настоящее время беззапросный способ используется в космической системе поиска аварийных судов и самолетов (КОСПАС — САРСАТ)

[16,17].

Спутниковые РНС обеспечивают независимое от времени суток и года глобальное обслуживание и выдают однозначные координаты судна с точностью от нескольких кабельтовых до нескольких метров.

Обслуживание информацией судов, находящихся в различных районах Земного

шара, может быть обеспечено при наличии определенного количества ИСЗ. Орбиты,

по которым происходит полет спутников, выбраны таким образом, чтобы ИСЗ находились в зоне радиовидимости в течение необходимого времени или постоянно.

Определение места в некоторых, ранее применявшихся СРНС, например, в СРНС

«Транзит» (США) осуществлялось лишь периодически с интервалом от получаса до

нескольких часов в зависимости от района плавания, а в ныне действующих СРНС,

например, в СРНС «Навстар» (США); «ГЛОНАСС» (Россия) — в любой момент

времени и может быть непрерывным.

Непрерывность определения или определение по нескольким параметрам, в том числе - и при использовании эффекта Доплера, обеспечивают получение не только места судна, но и вектора его скорости.

ВСРНС «Транзит» скорость судна определялась с точностью 0,5 ... 1,5 уз, а в

СРНС «Навстар» определяется с точностью 0,2 уз.

Функционирование НИСЗ предполагает наличие на Земле системы

специальных наземных станций слежения за спутниками и управления всей системой. Как на наземных станциях, так и на спутниках устанавливаются различные

радиотехнические устройства, обеспечивающие радиосвязь между ними и передачу сигналов со спутника на судно.

На судне применяется приемоиндикатор, осуществляющий прием радиосигналов, их обработку и выдачу необходимой информации. Все это может быть выполнено только при объединении приемоиндикатора с ЭВМ. Поэтому,