|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Глава 1. Структура спутниковой навигационной системы (СНС)
Общие сведения Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др. Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам: - доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения; - целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее; - непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени. Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения [6]. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зоне аэродрома и заходе на посадку – не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,9999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 сек. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС. В СНС GPS и ГЛОНАСС высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов (см. рис.2.1):
Рис.2.1 Космический сегмент Сегмент управления Сегмент потребителя Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS), и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы неземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п. Основу концепции СНС составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение неизвестных навигационных данных непосредственно в аппаратуре потребителя. Это несколько усложняет потребительское оборудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя компактным и экономичным. Космический сегмент Точность определения места и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и от параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3-5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть. Основное назначение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. Каждый НКА передает следующие данные: - свой статус (сообщение об исправности или неисправности); - текущую дату; - текущее время; - данные альманаха ( орбитальные данные всех НКА); - точное время отправки всей совокупности сообщений; - бортовые эфемериды (расчетные координаты своего положения в этот момент времени). В состав стандартного НКА 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. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления. Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационных параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА 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 орбитальных структурах космических сегментов систем ГЛОНАСС и NAVSTAR имеются некоторые различия, которые для наглядности сведены в таблицу 2.1.и показаны на рис.2.2. Таблица 3.1.
Рис.2.2 Орбитальная структура: а) ГЛОНАСС, б) NAVSTAR а) б)
Интервал повторяемости трасс движения НКА системы ГЛОНАСС и, соответственно, зон радиовидимости наземными потребителями составляет 17 витков или 7 суток 23 часа 27 минут 28 секунд. Следовательно, ГЛОНАСС не является резонансной(или синхронной), т.е. НКА 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 каждого НКА имеет многовитковый след. Благодаря этому возмущающее влияние нецентральности гравитационного поля Земли на орбиты НКА значительно снижается и является одинаковым для всех НКА. Как следствие, орбитальная группировка системы ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с NAVSTAR. имеющей синхронные 12 – часовые орбиты. Орбитальная группировка ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования НКА. Хотя срок функционирования НКА ГЛОНАСС на сегодняшний день меньше, чем в NAVSTAR.( Для справки: расчетный срок существования последних выведенных на орбиту НКА ГЛОНАСС составляет 7 лет; расчетный срок существования НКА MAVSTAR составляет в зависимости от их модификации составляет 12..15 лет). Как видно из таблицы, период обращения НКА NAVSTAR составляет 11 ч 58 мин среднего солнечного времени, что соответствует 12 часам звездного времени. В своем орбитальном движении НКА NAVSTAR вращаются синхронно с Землей, т.е. не меняют своего положения относительно Земли, следовательно, на них оказывается большее воздействие гравитационного поля Земли, поэтому периодически необходима корректировка параметров орбит НКА посредством включения бортовых двигателей по команде с Земли (двигатели в этом случае расходуют очень дорогостоящее топливо). Например, автономное время функционирования космических аппаратов системы NAVSTAR, выведенных на орбиту до 1997 года составляло всего 14 дней. Через 14 дней погрешность местоопределения на поверхности Земли могла достигать 425 метров, если бы не выполнялась корректировка орбиты. НКА нового поколения могут сохранять устойчивое функционирование системы в течение 180 дней с постепенным снижением точности . Это стало итогом многолетнего накопления статистических данных по результатам эксплуатации системы, их обработки и ввода в вычислительный комплекс и взаимного обмена данными между НКА. С другой стороны, построение орбитальной структуры системы NAVSTAR обеспечивает постоянство прохождения НКА над одними и теми же точками поверхности Земли в одно и то же время ровно 2 раза в сутки. В СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR применяются круговые орбиты. При использовании круговых орбит спутники движутся с постоянной угловой скоростью, что значительно упрощает расчеты и прогнозирование их координат в приемниках потребителей и наземных контрольных станций. Для движения спутника по круговой орбите необходимо, чтобы возникающая центробежная сила была равна силе тяготения, или, иначе чтобы начальная скорость соответствовала круговой скорости Vкр на заданной высоте HА и была направлена перпендикулярно радиус-вектору r =RЗ+ HА, где : RЗ – радиус Земли. Для СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR Vкр ≈3,95 км/c.(Как известно, первая космическая скорость равна 7,91 км/с, а для вывода спутника на эллиптическую орбиту необходимо ускорить его до второй космической скорости, равной 11,2 км/с). Почему угол наклона плоскости орбит НКА по отношению к плоскости экватора выбран близким к 60˚ ( 64,8˚ у ГЛОНАСС и 55˚ у NAVSTAR)? Дело в том, что в реальных условиях при движении спутника по околоземной орбите на него кроме притяжения Земли, воздействуют разнообразные дополнительные силы, называемые возмущающими: - притяжение Луны и Солнца; - давление светового излучения Солнца (‘солнечный ветер”); - неравномерность гравитационного поля Земли; - сопротивление среды при движении спутника. Они малы по сравнению с центральной силой притяжения, но их длительное воздействие приводит к отклонению орбиты спутника. Поскольку точность определения местоположения НКА на орбите чрезвычайно важна для определения навигационных параметров, то возмущениями орбиты пренебрегать нельзя. Практические исследования показали, что суммарное воздействие вышеуказанных возмущений минимально при наклонении плоскости орбиты под углом 63˚ 29́ 06˝ или 116˚ 35΄54˝ к плоскости экватора. Наклонные орбиты под углом ≈60˚ имеют компромиссную стабильность параметров, особенно высока стабильность перигея, характеризующего положение орбиты в орбитальной плоскости и период обращения. В заключение следует отметить, что выводимые Россией с начала 2007 года на орбиту НКА новой модификации ГЛОНАСС-К имеют срок службы 10…12.лет, масса НКА – 750 кг. Эти аппараты в обычном режиме обеспечивают точность определения координат с погрешностью не более 6…8 м при вероятности 0,95.
Рис. 2.3. Расположение наземных станций сегмента управления СНС ГЛОНАСС.
Сегмент управления Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), или станций слежения, связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции стараются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитическими факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной станцией. На главной, станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА. Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС. Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов. Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени. Расположение станций сегментов управления систем ГЛОНАСС и NAVSTAR приведены, соответственно, на рис. 2.3 и 2.4. Как видно из рисунков, сеть станций слежения СНС ГЛОНАСС выгодно отличается от аналогичной сети NAVSTAR тем, что расположена только на территории своей страны. В состав сегмента управления ГЛОНАСС кроме станций слежения и центра управления системой входят кванто - оптические станции (одна из них расположена на территории Узбекистана), предназначенные для периодического высокоточного измерения дальности до НКА при помощи лазерного дальномера. Такая станция позволяет измерять дальность до объектов на высотах до 40 000 км. Дальномерная ошибка станции не превышает 1,5…1,8 см, а угломерная от 0,5” до 2”. Для эффективной работы кванто-оптических станций требуется хорошая оптическая видимость в ночное время, поэтому они, как правило, применяются не при систематическом наблюдении за НКА, а для юстировки радиодальномерных каналов.
□- Главная станция ○ - Станция наблюдения Δ - Наземная антенна
Рис. 2.4.Расположение наземных станций сегмента управления СНС NAVSTAR
Сегмент потребителей Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации, гражданские организации, частные лица. Поскольку СНС являются беззапросными системами, то количество потребителей системы не имеет значения. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма выбора оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами. В соответствии с областью применения конструкции и возможности приемников СНС могут значительно отличаться. Например, во многих приемниках для частного применения не предусмотрено измерение высоты и вычисление составляющих вектора скорости в режиме реального времени, тогда как в специализированных приемниках, используемых в авиации и судовождении, эти измерения обязательны. В системах мобильных коммуникаций, а также для проведения различных технических измерений и научных экспериментов часто требуются СНС приемники, единственной задачей которых является получение сигналов точного времени и образцовой частоты. В настоящее время в силу ряда причин наибольшее применение в мире имеет система NAVSTAR, чаще именуемая как GPS. Поэтому все приемники системы ГЛОНАСС принимают также сигналы GPS, но не все приемники GPS принимают сигналы ГЛОНАСС. Вопросы для самоконтроля по главе 1: 1.Что означают термины «доступность», «целостность» и «непрерывность обслуживания»? 2. Какие три сегмента формируют структуру СНС? 3.Каие функциональные дополнения входят в состав СНС? 4. Какую главную роль выполняют НКА? Какое должно быть количество НКА, чтобы обеспечить полное функционирование СНС? 5. Почему высота обит НКА выбрана примерно 20000 км? 6. Почему угол наклона плоскости орбит НКА по отношению к экватору составляет примерно 60˚? 7. Какую главную задачу выполняет сегмент управления СНС? Что входит в состав сегмента управления? 8.Что собой представляет сегмент потребителя? |
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-19; Просмотров: 297; Нарушение авторского права страницы
