Спутниковые системы gps и glonass.

Принцип действия. Недостатки спутниковых РНС доплеровского типа вызвали необходимость создания более совершенных спутниковых навигационных систем. Такие системы созданы на средневысоких орбитах и в настоящее время начинают использо­ваться на морских судах: GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Принципы работы этих систем одинаковы. Рассмотрим их на приме­ре РНС GPS. Спутниковая РНС GPS, разрабатываемая с 1975 г., предназначается для непрерывного определения места раз­личных подвижных объектов в любой точке Земли или околоземного пространства в любое время суток в любую погоду.

Эта система после ее полного развертывания должна состоять из 18 ИСЗ (плюс 3 запасных) на 6 орбитах — по 3 равномерно расположен­ных ИСЗ на каждой (рис 16.17). Орбиты почти круговые высотой H = 20200 км. Угол наклона орбит i = 55°. При та­ком угле наклона плоскости орбит пересекаются под пря­мым углом, образуя на поверх­ности Земли 8 равных октан­тов. Это обеспечивает едино­образные зоны точности по всей поверхности Земли. Пе­риод обращения ИСЗ Т≈12ч. Радиус зоны радиовидимости 76°. В зоне радиовидимости на­блюдателя могут быть одновре­менно видны от 4 до 8 ИСЗ.

В спутниковой системе GPS используется дальномерный метод определения места объекта. Наклонное (топоцентрическое) расстояние р до спутника определяется пассивным мето­дом (см. п. 16.3).

На спутниках применяются цезиевые стандарты частоты с неста­бильностью 10^-14 за сутки. Так как уход частоты судового опорного генератора, вызывающий расхождение временных шкал, неизвестен, то он должен определяться как дополнительное неизвестное время с координатами φ0, λ0.

Для определения места судна одновременно принимают данные не менее чем от трех ИСЗ (рис. 16.18). При пересечении трех изолиний (окружностей) на поверхности Земли получается треугольник погреш­ности из-за присутствия в измеренных расстояниях р постоянных ошибок cδt (рис. 16.19). Место судна находится в точке пересечения биссектрис вершин треугольника погрешности. Найдя место судна (φ0, λ0) можно найти и постоян­ную ошибку cδt из-за расхождения временных шкал ИСЗ и ПИ. Та­ким образом, по одновременным наблюдениям трех ИСЗ можно получить координаты места судна φ0, λ0 и поправку δt за расхожде­ние временных шкал.

Если ставится задача опреде­лять и высоту h нахождения объ­екта над поверхностью Земли, то необходимо одновременно наблю­дать не менее четырех ИСЗ. Большое число ИСЗ в системе GPS (18 — на первом этапе, 24 — на заключительном) обеспе­чивает одновременное наблюде­ние в любой точке Земли от 4 до 8 ИСЗ при 18 ИСЗ в системе и от 6 до 11 ИСЗ при 24 ИСЗ в системе. Среди этого числа спутников нужно выбрать такие, которые бы обеспечивали наибольшую точ­ность обсерваций. Таковыми являются 3 ИСЗ на малых высотах с разностью азимутов около 120°. Для получения высоты h объекта выбирается 4-й спутник, расположенный в зените наблюдателя или вблизи него.

Уравнения решаются итеративным методом. Переход от прямо­угольных координат Хо, Уо, Zо к географическим φ0, λ0 осуществляется по известным формулам геодезии.

Все спутники работают на одних и тех же частотах: f1 = 1575,42 МГц (λ = 19 см) и f2 = 1227,60 МГц (λ = 24 см) с приме­нением псевдошумовой модуляции. Использовать две частоты необ­ходимо для уменьшения влияния на точность обсерваций ионосфер­ного эффекта. Для гражданских потребителей применяются одночастотные ПИ, работающие в грубом режиме C/A-code (Coarse Acquisition) с точностью измерения р порядка 16 м, для военных по­требителей — двухчастотные ПИ, работающие в точном режиме Р-code (Precise) с точностью измерения расстояния порядка 6 м.

Точность определения места. Ошибка определения мес­та по трем ИСЗ на поверхности Земли может быть рассчитана по приближенной формуле мореходной астрономии

Выражение

характеризует геометрические условия наблюдений и называется геометрическим фактором (Geometric Delution of Precision — GDOP или Horizontal Delution of Precision — HDOP). В процессе приема сигналов ИСЗ их геометрическое положение непрерывно меняется: ряд ИСЗ уходит за горизонт, другие появляются из-за горизонта В морских ПИ решается задача выбора из общего числа ИСЗ опти­мального созвездия из трех или четырех ИСЗ, обработка сигналов которых обеспечивает минимальное значение геометрического фактора (минимальное значение ошибки оп­ределения места). При работе по трем ИСЗ Г = min, если все три ИСЗ раз­мещены одинаково низко над горизон­том, образуя равносторонний треуголь­ник (разность азимутов ∆А ≈ 120°). При этом Г = 1,45. При работе по че­тырем ИСЗ Г = min = 2,6, если один ИСЗ в зените, а остальные три будут иметь одинаковую высоту около 30°, образуя равносторонний треугольник в плоскости расположения ИСЗ. При этом объем тетраэдра, образованного направлениями от судна на ИСЗ, будет максимальным (рис. 16.20).

Геометрический фактор нужен для оценки точности обсерваций. Ошибка обсервации пропорциональна величине геометрического фактора (рис. 16.21). Чем он меньше, тем место определено более точно. Величина геометрического фактора вычисляется при обсер­вациях: один раз в течение 5... 10 мин. Текущее значение геометри­ческого фактора сравнивается с оптимальным его значением, зало­женным в программу выбора созвездия спутников, или установлен­ным самим штурманом. Для точных обсерваций должно быть 1,5 < Г < 5. При Г > 10 место получается менее точно. В некоторых ПИ, например «Shipmate GPS Navigator /ZS5700», точность обсер­ваций показывается на дисплее буквами: А (высокая точность), В (хорошая), С (удовлетворительная) и D (плохая).

Точность определения расстоянир зависит от следующих факторов:

-неста­бильности шкалы времени ИСЗ;

-ошибок в орбитальной информации;

-нестабиль­ности шкалы времени в ПИ;

-влияния ио­носферы и тропосферы;

-шумов аппара­туры ИСЗ;

-шумов аппаратуры ПИ;

-многолучевости распространения радиоволн.

Суммарная средняя квадратичная ошибка получается порядка 16 м.

Посто­янным режимом работы ПИ являет­ся навигационный (устойчивый при­ем сигналов одного и того же созвез­дия КСЗ), который может длиться от 10 до 40 мин. Этот режим чередуется с переходным режимом (прием дан­ных от нового созвездия), который длится 5...8 мин. Вид информации на дисплее зависит от типа ПИ, но основными данными являются:

-Тгр,

-обсервованные координаты (φ0, λ0)

-геометрический фактор (HDOP),

-путь судна ПУ (course over ground),

-путевая скорость Vпу (speed over ground).

Последние определяются по серии обсерваций. Например, в ПИ фирмы RACAL-DECCA ПУ и Vпу определяются как средние величины за 5 мин по об­сервациям с дискретностью 20 с. Точность определения скорости mv = 0,1 м/с, mпу = 0,1°.

Кроме Тгр, φ0, λ0, ПУ, VПУ ПИ могут выдавать дополнительную информацию:

1) ПУ и расстояние для плавания по дуге большого круга или локсодромии в заданную точку;

2) поперечное уклонение от выбранного пути (XTD — cross track distance);

3) курс выхода на выбранный путь (CTS — course to steer);

4) момент прохождения тра­верза точки (Passed WP);

5) прохождение траверза последней точки (Approaching LAST WP);

6) уклонение от места якорной стоянки (Anchor Watch);

7) запоминать φ, λ при падении человека за борт и вычислять курс и расстояние до этой точки и др.

При решении задач 2...6 ПИ дает звуковой сигнал, если превышает предел (Limit) за­данной величины.

Объявленная точность СРНС GPS для ПИ режима С/А М = 100м (Р = 95%), для ПИ режима Р М = 50м (Р = 95%). Испы­тания системы, выполненные в США и других странах, показали, что эта точность вполне реальна.

Следует иметь в виду, что при использовании СРНС GPS могут иметь место ошибки из-за несоответствия геодезической основы карты и параметров референц-эллипсоида, принятого для расчета в ПИ. Поэтому перед нанесением обсервованной точки на морскую на­вигационную карту полученные φ0 и λ0 должны быть исправлены по­правками за расхождение геодезических систем ПИ и карты.

Для нужд российского морского флота создается система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Она основана на измерении расстояний одновременно минимум до трех спутников из созвездия в 12 ИСЗ, размещенных на трех орбитах. Спутники запус­каются на круговые орбиты высотой Н = 19100 км. Период их обра­щения 11 ч 15 мин, наклонение орбиты 64,8°, диапазон частот 1240... 1260МГц а ожидаемая точность определения места порядка 100м (Р = 95%).