Сарайский Ю. Н., Алешков И. И. Аэронавигация. Часть 2_СПб ГУГА_2013. Аэронавигация часть II. Радионавигация в полете по маршруту

Рис. Х.12. Геоцентрические координаты спутника
Рис. 10.13. Геоцентрические координаты ВС

Приведенные формулы представляют собой систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, которыми являются x,y,z (координаты
ВС) и Δt (погрешность времени). Остальные величины, входящие в формулы известны. Координаты спутников x
i
,y
i
,z
i рассчитываются с помощью данных,
переданных в навигационном сообщении, а псевдодальности непосредственно измеряются в бортовом приемнике описанным выше способом. Вычислитель бортового приемника непрерывно численно решает данную систему уравнений, определяя прямоугольные координаты ВС и поправку к бортовым часам. В результате этого на борту ВС всегда известно и точное время.
Но пользователю СНС нужны не прямоугольные, а геодезические координаты – широта, долгота и высота. Из курсов геодезии или геоинформационных основ навигации известно, что связь координат x, y, z с широтой B, долготой L и высотой Н выражается следующими соотношениями:


,
sin
)
1
(
sin cos
)
(
cos cos
)
(
2












B
H
N
e
z
L
B
H
N
y
L
B
H
N
x
(2.2) где: x, y, z – прямоугольные координаты точки (ВС);
В, L, Н – геодезические широта, долгота и высота точки;
N – радиус кривизны первого вертикала;
е – эксцентриситет земного эллипсоида.
Вычислитель бортового приемника решает обратную по отношению к приведенным формулам задачу: по уже известным прямоугольным координатам рассчитывает широту, долготу и высоту над поверхностью эллипсоида.
Кроме координат и времени приемник СНС определяет и скорость движения ВС относительно Земли (путевую скорость). Для этого используется доплеровский способ, рассмотренный выше при описании СНС
«Транзит», но только работающий как бы в противоположную сторону.
Действительно, после того, как уже известно и местоположение спутника, и местоположение самолета, можно рассчитать по известной скорости спутника радиальную скорость сближения ВС и спутника, определив, какой при этом должен быть доплеровский сдвиг принимаемой частоты. Но фактический сдвиг, измеренный приемником, будет, конечно, другим из-за собственной скорости ВС. Следовательно, по этой разности частот, можно рассчитать составляющую собственной скорости самолета по направлению на спутник. А по значениям радиальных скоростей по направлениям на несколько спутников, можно рассчитать и все остальное: составляющие путевой скорости ВС по осям системы координат OXYZ, модуль путевой скорости и фактический путевой угол, характеризующий ее направление относительно меридиана самолета.

Исходя из принципа работы системы понятно, что определяется фактический истинный путевой угол, отсчитанный от географического
(истинного) меридиана. Но в практике навигации чаще используются
магнитные путевые углы. Их можно рассчитать с помощью истинных путем учета магнитного склонения ΔМ. Поэтому в навигационных приемниках хранится математическая модель магнитного поля Земли, то есть формулы, позволяющие по известным координатам любой точки рассчитать в ней значение ΔМ. Истинные путевые углы определяются системой достаточно точно, а вот точность расчета магнитных величин (путевых углов, пеленгов) зависит от степени совершенства математической модели магнитного поля, используемой в конкретном приемнике. В большинстве случаев погрешность не превосходит одного градуса, но в полярных районах может быть и больше.
В СНС измеряется геодезическая высота ВС, то есть отсчитанная от поверхности принятого эллипсоида (WGS-84 или ПЗ-90). Но для выполнения полета, особенно при заходе на посадку, необходимо знать и абсолютную высоту, которая отсчитывается от поверхности геоида (среднего уровня моря). Для ее расчета в бортовой приемник СНС заложена математическая модель геоида. Это формулы и входящие в них численные коэффициенты, с помощью которых для любой точки с известной широтой и долготой можно рассчитать волну геоида (undulation), показывающую, насколько поверхность геоида выше поверхности эллипсоида. С помощью волны геоида приемник рассчитывает и показывает абсолютную высоту.
Таким образом, полный алгоритм расчетов, выполняемых приемником
СНС, включает в себя:
­
вычисление с помощью эфемеридной информации расчетных значений координат каждого из четырех спутников;
­
измерение времени t
i
прохождения сигнала от каждого спутник и соответствующей ему псевдодальности D
i
;
­
вычисление прямоугольных координат ВС x, y,z и погрешности Δt в измерении времени прохождения сигнал, вызванной неточностью часов;
­
вычисление геодезических координат: широты B, долготы L и геодезической высоты H воздушного судна;
­
вычисление путевой скорости W и фактического истинного путевого угла по информации об измеренных доплеровских сдвигах частот;
­
расчет абсолютной высоты ВС с использованием модели гравитационного поля Земли;
­
расчет магнитного путевого угла с использованием модели магнитного поля Земли.
Это основные операции, выполняемые вычислителем (компьютером), входящим в состав бортового приемника СНС. Но на самом деле этот вычислитель запрограммирован для выполнения и множества других операций, решения различных навигационных задач, некоторые из которых будут рассмотрены ниже.

Необходимо заметить, что приведенные в данном параграфе формулы и алгоритмы расчета являются, во-первых, упрощенными, а, во-вторых, не единственно возможными. На самом деле в вычислениях учитывается большое количество факторов, которые здесь даже не упоминались.
Например, замедление течения времени на спутнике в соответствии с теорией относительности. Также необходимо иметь в виду, что конкретные формулы и алгоритмы, применяемые в бортовом приемнике, разрабатываются производителем этого приемника и, как правило, остаются для пользователей неизвестными.
10.7. Характеристика Navstar GPS
Navstar GPS создана по заказу министерства обороны США такими фирмами как Rockwell International, Martin Marietta, IBM.На разработку системы было затрачено 12 миллиардов долларов.
Спутники расположены шести орбитальных плоскостях, каждая из которых имеет наклонение i=55° к плоскости экватора. Узлы этих плоскостей сдвинуты относительно друг друга на 60°. На каждой орбитальной плоскости равномерно по аргументу широты расположены по четыре спутника. Таким образом, рабочий комплект системы включает в себя 24 спутника. Но фактически на орбитах находится еще несколько резервных спутника.
Высота орбиты каждого спутника составляет 10900 морских миль, то есть около 20 тыс. км. Период обращения каждого спутника вокруг Земли составляет 11 ч 56 мин.
Такая конфигурация расположения спутников обеспечивает наблюдение в каждой точке планеты одновременно от 4 до 12 спутников.
Рис. 10.14. Орбитальные плоскости

Подсистема управления включает в себя пять наземных станций слежения, одна из которых (г. Колорадо-Спрингс, США), является главной, а также три станции ввода данных. Станции расположены равномерно по земному шару вблизи экватора, чтобы обеспечить наилучшие условия для слежения за спутниками.
Контрольные станции слежения осуществляют точные измерения дальностей до спутников и передают результаты измерений на главную станцию, где производится их обработка и определение элементов орбит, параметров ионосферной модели, поправок к часам спутников и т.д.. Через станции ввода данных вся необходимая информация передается на спутники.
Центральный синхронизатор частоты обеспечивает, чтобы нестабильность системного времени не превышала 5·10
-14
Существуют четыре поколения спутников системы Navstar GPS: Block I,
Block II/IIА, Block IIR, Block IIF. Спутники типа Block I использовались только на первом этапе развития программы Navstar. В настоящее время основу системы составляют спутники типа Block II и Block IIА. Спутники
Block IIR начали запускать с 1999 г. Они имеют улучшенные характеристики и способны определять свое собственное местоположение в космосе на основе межспутниковой дальнометрии с других спутников. Первый спутник четвертого поколения (Block IIF) был запущен 27 мая 2010 г. Такие спутники будут основой системы Navstar GPS в будущем.
Таблица 10.1
Характеристики спутников Navstar GPS
BLOCK IIA
BLOCK IIR
BLOCK IIF
Вес на орбите. кг
985 1072 1702
Источник энергии солнечные панели. мощность 700 вт солнечные панели, мощность 1136 Вт солнечные панели, мощность 2900
Вт
Габариты с развернутыми солнечными батареями ширина, м
1,5х5.3 1.5х1,93х1,9х11,6 2,4х1,97х21,5
Производитель
Rockwell
Lockheed
Boeing
Срок службы, лет
7,5 10 13-15
В состав спутников входят синтезатор частот, передатчики, антенны, бортовые «часы» (четыре цезиевых квантовых генератора с нестабильностью порядка 5·10
-13
), бортовые вычислители (один основной и два резервных), системы ориентации, а также другое оборудование, обеспечивающее управление спутником и его функционирование. Для электропитания используются аккумуляторы и солнечные батареи. На спутниках установлены и двигатели, с помощью которых может осуществляться коррекция орбиты.

Рис. Х.15. Спутник Block IIR
Все спутники излучают радиоволны на двух фиксированных частотах, обозначаемых L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,6 МГц). Планируется, что спутники Block IIF будут излучать еще и на дополнительной частоте L5
(1176,45 МГц).
Поскольку все спутники работают на одинаковых частотах, потребители могут различать их только по передаваемому коду. Такая технология, которая используется и в системах сотовой связи, носит название
CDMA (Code Division Multiple Access). При этом одновременно каждым спутником используется два вида кодов.
Основным является так называемый P-код (от слова protected– защищенный). Пользоваться им могут только санкционированные потребители министерства обороны США. Он представляет собой наложение
(сумму по модулю 2) двух псевдослучайных последовательностей, сдвинутых друг относительно друга на величину от 1 до 37 «импульсов»
(chips). Для каждого спутника величина сдвига своя. Таким путем получается
37 кодов
(разновидностей псевдослучайных последовательностей), из которых 32 используются спутниками, а пять предназначены для других целей (например, для наземных передатчиков функциональных дополнений). «Импульсы» передаются со скоростью 10,23 миллиона в секунду. Каждая последовательность (код) начнет повторяться только через 7 суток, а последовательности для всей совокупности спутников

начнут повторяться только через 267 дней. Понятно, что «подобрать» такой код довольно затруднительно.
В особых ситуациях владелец системы может включить так называемый режим A-S и тогда вместо P-кода будет использоваться Y-код, который будет являться более помехоустойчивым и еще более защищенным от расшифровки несанкционированными потребителями.
Для гражданских потребителей используется так называемый C/A-код
(coarse acquisition – дословно «грубое приобретение»). Частота следования
«импульсов» в нем в десять раз меньше, чем в P-коде, а псевдослучайная последовательность повторяется каждую миллисекунду. Принцип ее формирования похож на формирование Р-кода, но является более простым и
«известен» каждому бортовому приемнику СНС.
Первоначально Navstar GPS предназначалась для использования только военными потребителями. Но с 1983 г., после того, как был сбит вторгшийся в воздушное пространство СССР корейский B-747, президент США разрешил бесплатное использование GPS всеми гражданскими пользователями. Окончательно это решение было закреплено в 1993 г.
Однако использование C/A-кода обеспечивало, на взгляд министерства обороны США, слишком уж точное определение координат всеми желающими. Поэтому для C/A-кода был введен режим искусственного ухудшения точности – S/A-режим (selective availability). При его работе намеренно ухудшалась точность эфемерид спутников. Предполагалось, что в этом режиме точность определения координат составит 100 м с вероятностью
0,95. Правда, на практике она оказалась гораздо лучше.
С годами требования к точности навигации гражданских ВС, особенно в районе аэродрома, все ужесточались. Точности, обеспечиваемой в режиме
S/A, стало не хватать. К тому же выяснилось, что некоторые фирмы расшифровали код искусственного загрубления точности и сумели его обойти. В связи с этим с
1
мая 2000 г. режим S/A отключен и больше не применяется.
Таким образом, в настоящее время в GPS используются:
- P-код или, при включении A-S режима, вместо него Y-код (часто обозначается
P(Y)-код), доступный только пользователям, санкционированным министерством обороны США,
- C/A-код, безвозмездно доступный любым пользователям во всем мире.
На частоте L1 передаются одновременно P и C/A коды, а на частоте L2 только P-код. Тот факт, что Р-код используется одновременно на двух частотах, позволяет уменьшить влияние ионосферных помех и повысить точность определения координат.

10.8. Характеристика ГЛОНАСС
Основным разработчиком системы ГЛОНАСС в целом является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по спутникам – ПО «Полет» (г.
Омск). В разработке ГЛОНАСС принимают участие и другие организации и предприятия. Информацию о текущем состоянии системы можно получить на сайте
Информационно-аналитического центра
Федерального космического агентства www.glonass-ianc.rsa.ru.
Центр управления системой
ГЛОНАСС располагается под
Краснознаменском (Московская область), а командные станции слежения – вблизи населенных пунктов Санкт-Петербург, Щелково (Московская обл.),
Воркута,
Енисейск,
Улан-Удэ,
Якутск,
Комсомольск-на-Амуре,
Петропавловск-Камчатский. Нестабильность центрального синхронизатора частоты 2·10
-15
Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на практически круговых орбитах высотой 19100 км с наклонением 64,8

и периодом обращения 11 часов 15 минут. Более высокое наклонение, чем в Navstar GPS, улучшает условия приема сигналов со спутников в полярных районах планеты.
Спутники расположены в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120

. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным шагом по аргументу широты
45

. Расположение спутников в каждой плоскости сдвинуто по отношению к соседней плоскости на 15

по аргументу широты. Такая конфигурация спутников позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.
Рис.10.16. Орбитальные плоскости ГЛОНАСС

Спутники первого поколения под названием «Глонасс» имели ограниченный срок службы. С 2004 г. начат запуск спутников нового поколения «Глонасс-М», которые в настоящее время и составляют орбитальную группировку. Эти спутники имеют увеличенный срок службы.
В их конструкции используются французские комплектующие, навигационный сигнал для пользователей передается в двух диапазонах частот. В феврале 2011 г. запущен первый спутник третьего поколения
«Глонасс-К», полностью российского производства, который в настоящее время (2013 г.) проходит испытания. В нем будут использоваться три дополнительных навигационных сигнала и дополнительная частота (L3). За счет этого существенно повысится точность навигационных определений. В этих спутниках также будут использоваться сигналы множественного доступа с кодовым разделением, что сделает спутники совместимыми с другими СНС (GPS, Galileo, Compass). Планируется, что с введением спутников третьего поколения состав орбитальной группировки ГЛОНАСС постепенно будет увеличен до 30 спутников.
Таблица 10.2
Характеристики спутников ГЛОНАСС
Спутник
Глонасс
Глонасс-М
Глонасс-К
Вес на орбите, кг
1415 1415 935
Мощность, вт
1000 1400 1600
Срок службы, лет 3 7
10
Спутник представляет собой цилиндрический гермоконтейнер с солнечными батареями. В его состав входят навигационный передатчик, хронизатор (часы), управляющий комплекс, средства заправки и обеспечения параметров среды, системы стабилизации, ориентации, коррекции, электропитания, терморегулирования.
В отличие от Navstar GPS, в ГЛОНАСС спутники работают на разных частотах. Рассмотрим структуру сигналов, передаваемых спутниками
«Глонасс-М».
Каждый спутник передает навигационные радиосигналы на собственных частотах в двух частотных поддиапазонах, обозначаемых L1 и L2.
Частоты излучения каждого спутника могут быть рассчитаны по следующим формулам:
f
1
= (1602+ k 562,5) МГц – для поддиапазона L1,
f
2
= (1246+ k 437,5) МГц - для поддиапазона L2.
Каждому спутнику назначен свой номер частоты k. В настоящее время для вновь запускаемых спутников назначаются частоты, соответствующие k в пределах от -7 до +6. Правда, спутники, находящиеся в диаметрально противоположных концах одной и той же орбиты, могут излучать на одной и той же частоте. Ведь они “не мешают” друг другу, поскольку наблюдатель на земле может принимать сигналы только от одного из них.

Рис. 10.17. Спутник «Глонасс М»
В каждом поддиапазоне спутники излучают сигналы двух типов: высокой точности (ВТ) и стандартной точности (СТ).
Сигналы высокой точности могут использоваться только специальными потребителями по разрешению министерства обороны Российской
Федерации и поэтому в данном учебном пособии не рассматриваются.
Сигнал стандартной точности состоит из:
- псевдослучайного дальномерного двоичного кода;
- навигационного сообщения;
- вспомогательного меандрового колебания.
Вообще, слово «меандр» происходит от названия реки и означает вид геометрического орнамента, а меандровое колебание представляет собой бесконечное периодическое колебание прямоугольной (а не синусоидальной) формы, в котором длительность импульсов и пауз между ними одинакова.
Дальномерный код является псевдослучайной двоичной последовательностью, которая, в отличие от GPS, является одинаковой для всех спутников. Она формируется с помощью 9-значного регистра сдвига
(выходом является значение в
7 ячейке регистра).
Данная последовательность имеет дину 511 бит («импульсов» и пауз между ними) и повторяется каждую миллисекунду. Это означает, что код передается со скоростью 511 Кбит/с.

Таблица 10.3
Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС

перейти в каталог файлов