Определение положения НКА в пространстве

NAVSTAR и ГЛОНАСС по определению и сути- глобальные радионавигационные системы. Целесообразно поэтому ещё раз уточнить, что в радионавигационных системах навигационные параметры объекта определяются с помощью радионавигационных параметров, передаваемых  опорными станциями  (радиомаяками), геодезические координаты которых заранее известны и определены с достаточно высокой точностью.

В СНС функции опорных станций выполняют искусственные спутники Земли (ИСЗ), имеющие по сути выполняемых задач общепринятое название  НКА. Существенное отличие НКА от радиомаяков заключается в том, что координаты радиомаяков неизменны, тогда как координаты НКА, движущихся с большими и непостоянными относительно потребителя скоростями, необходимо постоянно контролировать и при необходимости корректировать.

Чтобы определить место судна по НКА, необходимо знать как расстояния до них, так и их координаты в момент определений.

Как известно, все искусственные спутники Земли  вращаются вокруг неё по заранее рассчитанным и, следовательно, заданным орбитам. Но вследствие того, что Земля не совсем шар, а геоид, и того что на ИСЗ влияет ряд возмущающих сил  (притяжение Луны и Солнца, давление солнечной радиации, магнитное поле Земли и др.), элементы орбиты непостоянны. Поэтому применение быстро перемещающихся в пространстве ИСЗ в качестве опорных станций для навигационных целей возможно лишь в том случае, если пространственные координаты этих станций (НКА) относительно поверхности Земли в момент измерений навигационных параметров известны с требуемой точностью.

Здесь следует указать на второе существенное отличие СНС от наземных радионавигационных систем, на наличие в СНС главной составляющей системы – наземного сегмента управления, обеспечивающего  эффективную работу всего радионавигационного комплекса и требуемую точность определения навигационных параметров судна через «транзитное» звено комплекса – НКА. Таким образом, СНС можно назвать двухступенчатой системой радионавигации, при этом её первая ступень (сегмент управления – НКА) работает в режиме активного обмена информацией, суть которого, применительно к обеспечению требуемой точности навигационных параметров, состоит в следующем: НКА, проходя по трассе заданной орбиты в зоне видимости станций слежения, проверяют значения своих навигационных параметров и корректирует их. В данном случае станции слежения выполняют роль опорных станций, геодезические координаты которых неизменны и определены с исключительно высокой точностью (по фазовому центру передающей антенны). Для точного определения параметров орбит НКА станция излучает специальный запросный сигнал, который при помощи бортового ретранслятора (по аналогии метода активной радиолокации с активным ответом) отсылается обратно.  По измеренной задержке и доплеровскому сдвигу частоты этого сигнала осуществляется точное определение орбиты и скорости движения НКА. Вычисленные значения параметров передаются на НКА, где они автоматически вводятся в бортовой компьютер, заменяя в нем устаревшие данные. Таким образом, и вторая ступень системы (НКА – сегмент потребителя) работает по обновленным данным, поскольку НКА в составе радионавигационного сигнала автоматически передает приемнику данные о своем точном положении на орбите.

Компенсация погрешностей

В реальных условиях на точность определения  координат потребителя и его вектора скорости влияет ряд  погрешностей, обусловленных функционированием системы. Так в системах, использующих дальномерный метод, большинство погрешностей связано со временем прохождения сигнала от источника сигнала  к приемнику. Применительно к СНС источники дальномерной погрешности можно разделить на следующие группы по их происхождению:

-      вносимые контрольно-измерительным комплексом сегмента управления ;

-      вносимые аппаратурой НКА;

-      возникающие на трассе распространения радиосигнала;

-      вносимые приемником потребителя.

 

Первые две группы погрешностей связаны между собой и обусловлены, в основном, погрешностью при сверке и хранении бортовой шкалы времени НКА. а также погрешностью в определении параметров его орбиты.  Эти погрешности непосредственно и весьма значительно влияют на определение расстояния до НКА. Например, сдвиг излучаемых меток времени на 1 мс соответствует погрешности измерения дальности в 300 км. Стабильность бортовой шкалы времени зависит от стабильности бортового эталона частоты («атомные часы»). Сдвиг бортовой шкалы через сутки после коррекции может составлять 25,4 нс для цезиевых и 108 нс для рубидиевых эталонов частоты. Требования к СНС таковы, что сдвиг бортовой шкалы должен быть не более 10 нс,

Кроме аппаратных методов повышения стабильности шкалы, применяются алгоритмические методы, основанные на известных математических моделях поведения бортовых эталонов, и позволяющие прогнозировать отклонение. Непрогнозируемые отклонения бортовой шкалы времени относительно системной могут достигать 1 нс на интервале в 1 ч. В настоящее время средствами контрольно-измерительного комплекса ведется постоянное наблюдение за бортовыми эталонами каждого НКА, и для каждого из них |рассчитывается индивидуальный алгоритм коррекции. В итоге временная погрешность обычно не превышает 3 нс.

Погрешности в определении параметров НКА и непрогнозируемые смещения НКА относительно заданной орбиты наряду с погрешностью бортовой шкалы времени, могут быть представлены, как компонент эквивалентной дальномерной погрешности (ЭДП). Для СНС ГЛОНАСС суммарная ЭДП, вносимая контрольно-измерительным комплексом и НКА по самым негативным оценкам не превышает 4,2 м. Для GPS NAVSTAR значение ЭДП составляет примерно 1,2 м.

Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала относятся к наименее предсказуемым и в силу этого могут значительно влиять на точность местоопределения. Атмосфера Земли способна влиять на распространение радиоволн, причем это влияние не всегда поддается прогнозированию. Рефракция радиоволн (искривление пути распространения) вносит дополнительные задержки сигнала. На распространение радиоволн влияют тропосфера, расположенная у поверхности Земли и до высоты в 12 - 18 км, и ионосфера, представляющая собой слой атмосферы от 60.. 100 и до 500... 1000 км.

Рефракция сигналов НКА в тропосфере обусловлена неоднородностями и изменением диэлектрической проницаемости с высотой. Значение тропосферной рефракции зависит от факторов, влияние которых хорошо изучено и поддается прогнозу (влажность воздуха, давление, температура. На основе статистических данных, накопленных за период эксплуатации СНС, разработаны математические поправки влияния тропосферы на задержку сигнала. Тропосферная погрешность составляет не более ± 1 м.

Основная проблема при компенсации ионосферной задержки состоит в том, что значение задержки очень широко меняется в зависимости от региона, в котором расположен СНС приемник, времени суток и года, солнечной и геомагнитной активности. Значения задержки лежат в диапазоне 5...500 нс, среднее значение составляет 5... 10 нс ночью и 30...50 днем для углов места, близких к 90°. С приближением к углу маски ионосферная задержка возрастает в 2 - 3 раза. Обычно ночным влиянием ионосферы пренебрегают. Ионосферные задержки наиболее сильны на низких широтах.

Ионосферные задержки являются наибольшими из всех погрешностей и составляют порядка 10 м. Поэтому, если необходимо достичь точности определения координат с погрешностью менее 10 м, то погрешность от ионосферной задержки должна быть сведена к минимуму. В GPS NAVSTAR для этой цели применяется постоянный мониторинг состояния ионосферы, для чего используются все доступные методы, включая наблюдение за солнечной активностью, прямые и косвенные методы измерения концентрации свободных электронов в ионосфере, а также аппаратное измерение задержки сигнала на различных станциях слежения. На основании собранных данных вычисляются коэффициенты, позволяющие в приемнике потребителя смоделировать условия распространения сигнала в ионосфере. Более скромная наземная инфраструктура СНС ГЛОНАСС не позволяет в данное время организовать мониторинг ионосферной задержки в различных регионах Земли.

Наиболее распространенным методом определения и учета ионосферной задержки на стороне потребителя является двухчастотный метод измерения, основанный  на эффекте рефракции сигналов в ионосфере.

Для этого НКА излучают радиосигналы на двух несущих чаcтотах L1 и L2. Эффект проявляется в том, что при распространении сигналов с разной несущей частотой вносится разная ионосферная задержка. При использовании двухчастотного метода СНС приемники измеряют дальности на двух частотах, Затем вычисляют разность задержек этих сигналов в ионосфере.

Двухчастотный метод позволяет свести ионосферную погрешность к десяткам сантиметров, но усложняет схему приемника, которая должна обеспечивать прием по двум радиочастотным каналам, и увеличивает составляющую погрешности приемного тракта, обусловленную радиошумами.

Применяемые в морской навигации приемные устройства СНС (навигаторы и картплоттеры) должны обеспечивать выполнение двухчастотного метода измерения.

На точность определения пространственно-временных координат потребителя оказывает влияние взаимное расположение НКА и потребителя. Следовательно, возникает задача выбора оптимального рабочего созвездия НКА, при котором обеспечивается заданная точность измерений. Существует такое понятие, как коэффициент геометрии К_а, или так называемый геометрический фактор ухудшения местоопределения GDOP –Geometrical Dilution of Precision, являющийся мерой уменьшения точности навигационных определений из-за особенностей взаимного расположения НКА и потребителя. Геометрический фактор может быть представлен в виде:

Кг² = Кгп² + Кг t²,           (2.1)

Где        Кгп² - пространственный коэффициент для трехмерных координат (PDOP – Position Dilution of Precision);

              Кгt² - временной коэффициент (TDOP – Time Dilution of Precision)

Пространственный коэффициент геометрии в свою очередь можно разделить на две составляющие, характеризующие точность определения места подвижного объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях:

 

Кпг = Кп² = Кгв²,           (2.2)

Где: Кгг – горизонтальный коэффициент для двухмерных координат (HDOP - Horizontal Dilution of Precision)

Кгв² - коэффициент для вертикальных координат (VDOP – Vertical  (VDOP –Dilution of Precision)

       Так как наиболее важной характеристикой является точность определения координат места судна, то в оценке его точности наиболее часто используют Кгг. ( HDOP).

В случае судовождения минимальное значение Кгг = 1,63 достигается тогда, когда один НКА находится в зените, а два других равномерно расположены в горизонтальной плоскости. Конфигурация орбитальной группировки GPS NAVSTAR такова, что oна с вероятностью 0,999 обеспечивает в глобальном масштабе видимость в любой момент времени 4 и более НКА. При этом четыре НКА обеспечивают PDOP < 6? РВЩЗ=1,5, а VDOP = 2,2

Значения геометрических факторов, обеспечиваемых орбитальной группировкой ГЛОНАСС и вероятности видимости P N заданного числа приведены в Таблице 2.2

Геометрические	Значения факторов при числе видимых НКА
факторы	4	5	6	7	8	9
P N	1	1	1	1	0,91	0,58
Н DOP	1,41	1,26	1,5	1,03	0,95	0,89
VDOP	2,0	1,75	1.7	1,61	1,6	1,55
TDOP	1,13	1,03	1,03	0,95	0,93	0,91
PDOP	2,45	2,16	2,05	1,91	1,86	1,79
GDOP	2,69	2,39	2,3	2,13	2,08	2,01

 

Таблица 2.2 Геометрические факторы в СНС ГЛОНАСС

Для определения координат судна с использованием GPS NAVSTAR при работе по трем НКА НDОР имеет минимальное значение (Г = 1,45), если все 3 НКА размещены одинаково низко над горизонтом, образуя равносторонний треугольник с ΔA ~ 120°.

Погрешность обсервации пропорциональна величине Г (см. рис.2.7 ).

Величина Г вычисляется при обсервациях один раз в течении 5…10 минут.

Для точных обсерваций 1,5 < Г< 5. При Г> 10 место получается менее точно.

Если на дисплее судового GPS навигатора вместо цифрового значения Г высвечивается его буквенная характеристика, то это означает:

А - высокая точность;

В — хорошая точность;

С =- удовлетворительная точность;

Д- плохая

Рис. 2.7 Погрешность обсервации по GPS NAVSTAR

Объявленная точность GPS NAVSTAR для режима C/A- М₀ -100 м (Р= 0,95), а для режима Р - М₀ =50 м(Р=0,95) и практика подтверждает эти точности. При применении 2-х частотных приемных устройств и исключении в этом случае ионосферной погрешности точность определения координат будет значительно выше объявленной.

Следует иметь в виду, что при использовании GPS NAVSTAR, могут иметь место погрешности из-за несоответствия геодезической основы карты и параметров референц-эллипсоида, принятого для расчета в судовом  GPS навигаторе.

Поэтому перед нанесением обсервованной точки на путевую МНК, полученные с GPS навигатора  координаты широты и долготы  должны быть исправлены поправками на расхождение геодезических систем судового GPS навигатора  и путевой МНК.

Поправки к координатам даются на карте в следующей форме:

-      для перехода от WGS-84 к карте: Δφ= 0,05 ' к S; Δλ = 0,09' к Е.

(Во многих типах судовых GPS навигаторов есть программы пересчета координат из геодезической системы GPS навигатора WGS-84 в геодезическую систему карты).

Таким образом:

Результирующая погрешность СНС определяется суммой погрешностей от различных источников. По имеемым данным по системе GPS NAVSTAR эти погрешности составляют:

1. погрешности шкалы времени (~ ± 0,6 м);

2. погрешности вычисления орбит (~ ± 0,6 м);

3. инструментальной погрешности приемника (~ ± 1,2 м);

4. многолучевости распространения сигнала (~ ± 2,0 м);

5. ионосферной задержки сигнала (~ ± 10,0 м);

6. тропосферной задержки сигнала (~ ± 1,0 м);

7. геометрического расположения спутников (см. коэффициент HDOP)

Однако, за счет применения в современных СНС новых схемотехнических решений и математического моделирования погрешности 5 и 6 практически могут быть устранены. Погрешность 4, обусловленная многолучевостью распространения сигнала, в морских условиях может быть значительно меньше указанного значения и определяется состоянием морской поверхности и размещением антенны GPS навигатора  на судне.

Реально, при минимальных значениях HDOP погрешность определения местоположения судна с помощью современных СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС может составлять не более 10 - 15 м.

Вопросы для самоконтроля по главе 2:

1. Какие навигационные задачи решает СНС?

2. Какие принципы заложены в основу функционирования СНС?

3. Какой метод используется в СНС для определения местоположения объекта?

4. Как в СНС решается проблема временной привязки НКА и СНС-приемника?

5. Как обеспечивается определение местоположения НКА в пространстве?

6. Перечислите виды погрешностей, влияющих на точность функционирования СНС.

7. Каким образом компенсируется погрешность вносимая ионосферой?

8. Как сказывается на точности определения пространственно-временных координат потребителя взаимное расположение НКА?

9. Как Вы понимаете коэффициент геометрии или так называемый геометрический фактор ухудшения местоопределения? Большое значение коэффициента геометрии- это хорошо или плохо ?

10. Какова погрешность местоопределения с помощью систем GPS и ГЛОНАСС при минимальном  значении HDOP для двухмерного измерения (2 D)?

Глава 3. Шкалы времени

Единицы мер времени

Рассмотрение принципов построения и функционирования СНС невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА в шкале времени и т.д.

Принято различать две группы единиц отсчета времени:

-      астрономические;

-      неастрономические.

Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400 с и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой  фиксированной точки отсчета на небесной сфере для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.

Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками ТЗ или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном  меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени данного меридиана. Рассмотрим рис. 2.8., представляющий собой вид сверху на северное полушарие небесно сферы, где Р_н- Северный полюс. Местное звездное время измеряется часовым углом t положения точки весеннего равноденствия γ относительно небесного меридиана L. Под небесным меридианом подразумевается проекция земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах и секундах. Очевидно, что за один звездный час Земля поворачивается на 15°, и звездное время может быть выражено в угловых значениях.    

 

Рис.2.8.. Местное звездное время

Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движения по конусу - прецессии, и больших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за, них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время [2]. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.

Солнечные сутки. Интервал времени, отсчитанный по нижним кульминациям центра видимого диска Солнца (истинного Солнца) называют истинными солнечными сутками ТИ Поскольку в течение года продолжительность Т_и непостоянна, в повседневной жизни основную единицу времени принимают средние солнечные су тки Тср, которые отмеряются по нижним кульминациям «среднего Солнца» - воображаемой точки, рассчитанной в предположении ее равномерного движения по орбите. Предполагается, что воображаемое «среднее Солнце» совершает один полный оборот по экватору за такое же время, как и настоящее Солнце по эклиптике и проходит точку весеннего равноденствия одновременно с Солнцем [2]. Значение Т_ср соответствует значению Ти, усредненному за год.

Среднее солнечное время (или среднее время) отмеряется от момента нижней кульминации «среднего Солнца* и выражается в долях Т_ср. Местное среднее время измеряется часовым углом направления на «среднее Солнце» относительно местного меридиана, плюс 12ч.

Между звездным и средним временем существует следующее соотношение: 24 ч звездного времени приблизительно равны 23 ч 56 мин 4,091 с среднего времени.

Эфемеридное (предвычисленное) время. Из-за упомянутой выше неравномерности суточного вращения Земли продолжительность звездных и солнечных суток незначительно меняется. Для реализации точных расчетов было введено равномерно текущее время - эфемеридное время ЕТ, где единицей измерения времени является эфемеридная секунда, рассчитываемая, как 1/86400 доля средней продолжительности суток в определенный день 1900 г. [6].

Неастрономическое время. Очевидно, что использование меры вращения Земли в качестве базиса для всеобщей меры времени сопряжено со множеством неудобств и в ряде случаев порождает значительные погрешности. После того, как в 60-х годах прошлого столетия были созданы атомные стандарты частоты (времени), появилась возможность перейти к неастрономическому базису измерения времени.

В 1967 г., на XIII Генеральной конференции по мерам и весам была принята искусственная единица меры времени, не зависящая от вращения Земли - атомная секунда. Атомная секунда равна интервалу времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии внешних воздействий (цезиевый стандарт частоты). В настоящее время атомная секунда принята за единицу времени в системе СИ вместо применявшейся ранее эфемеридной секунды. Шкала международного атомного времени ТА! включает в себя осредненные показания различных атомных эталонов частоты (времени).

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться: