Спутниковые навигационные системы доплеровского типа

Общие сведения. В настоящее время экс­плуатируются две спутниковые навигационные системы (СНС) доплеровского типа — «Цика­да» (СССР) и «Транзит» (США). Обе системы обеспечивают определение координат места судна в любое время суток и при любых ме­теоусловиях. Зона действия системы «Цика­да»—без ограничений; системы «Транзит»— в диапазоне широт ±88°. Каждая из систем включает три основные части: командно-изме­рительный комплекс, искусственные спутники Земли (ИСЗ), аппаратуру потребителей.

Командно-измерительный комплекс состоит из ряда наземных станций слежения, станций передачи команд на борт ИСЗ и вычислитель­ного центра (рис. 4.8).

В системе «Цикада» используются ИСЗ серии «Космос-1000» на орбитах, близких к круговым, с высотой около 1090—1100 км над уровнем Земли и периодом обращения поряд­ка 108 мин; угол наклонения орбит относитель­но плоскости экватора составляет 83°. При та­ком выборе параметров орбит ИСЗ обеспечи­вается глобальность работы системы.

Параметры орбит спутников системы «Транзит» следующие: высота — 1075 км, период обращения — 107 мин, наклонение орби­ты — практически 90°, эксцентриситет — в пре­делах 0,003—0,02. Количество одновременно работающих спутников в системе — до шести.

Спутники обеих систем некорректируемы, поэтому в силу различных возмущений наблю­даются смещения орбит по отношению к на­чальным значениям.

В силу различного характера структуры сигналов и вида модуляции, а также разноса по частоте взаимное влияние сигналов спутни­ков системы «Цикада» и «Транзит» исключено. Однако в рамках каждой системы проявляет­ся взаимное влияние сигналов спутников, что сказывается на качестве обсерваций, выпол­ненных с помощью судовой аппаратуры.

Когда ИСЗ системы приближаются один к другому на расстояния, при которых разделение сигналов по частоте в судовых приемоиндикаторах затруднено, по командам с на­земных станций производится выключение ап­паратуры одного из спутников. Даты включения, причины и дата планируемого последующего включения спутников объявляются в на­вигационных предупреждениях,

Для каждой из систем средний интервал между обсервациями при пяти ИСЗ составляет от 40 до 110 мин в зависимости от широты места. Передача навигационной информации с ИСЗ проводится на двух частотных каналах 400 МГц и 150 МГц, режим передачи - непре­рывный. Частоты передаваемых сигналов характеризуются высокой степенью стабильности В состав передаваемых данных, используемых для целей навигации, входят параметры, ха­рактеризующие пространственное положение ИСЗ на фиксированные моменты времени. идентификационный номер спутника, временные метки и сигналы синхронизации. Система «Цикада» работает по шкале зимнего московского времени, система «Транзит» — по шкале времени UTC.

Метод определения места. В обеих системах используется так называемый интегральный доплеровский метод, который в геометрическом смысле эквивалентен разностно-дальномерному методу. Для определения обсервованных координат используются: opбитальные параметры спутника; измеренные навигационные параметры; счислимые координаты, текущие значения курса и скорости судна.

Орбитальные параметры, получаемые по сигналам спутников, позволяют определить точное положение ИЗС в пространстве на фиксированные моменты времени.

В качестве навигационных параметров ис­пользуются отсчеты измеренных доплеровских сдвигов частоты, вызванных взаимным пере­мещением судна и спутника во время навига­ционного сигнала. В судовом приемоиндикаторе значение доплеровского сдвига частоты оп­ределяется относительно частоты опорного ге­нератора.

Зависимость доплеровской частоты от из­менения расстояния «судно — ИСЗ» позволяет определить разность расстояний между судном и рядом последовательных положений ИСЗ на фиксированные моменты времени. Каждой разности расстояний в пространстве соответст­вует поверхность положения — гиперболоид вращения, который при пересечении с поверх­ностью Земли образует навигационную изоли­нию типа гиперболы. Таким образом, систему доплеровского типа с интегральным методом определения координат места можно рассмат­ривать как гиперболическую систему. В каче­стве базы такой системы может рассматривать­ся расстояние пролета спутника на интервале измерения навигационных параметров. Для современных типов судовых приемоиндикаторов интервал измерения составляет 4,6; 24; 30;

60 или 120 с, длительность сеанса составляет от 8 до 16 мин.

Счислимые координаты места судна выра­батываются по данным курса и скорости суд­на, которые автоматически поступают от гиро­компаса и лага. Начальные значения счислимых координат и время вводятся в судовую аппаратуру вручную.

Результаты обсерваций во всех типах су­довых приемоиндикаторов выдаются в форме географических координат. В приемоиндикаторах системы «Цикада» результаты выдаются в системе координат 1942 г. В приемоиндикаторах системы «Транзит» в качестве опорного принят эллипсоид WSG-72. При анализе обсер­ваций эти обстоятельства необходимо прини­мать во внимание и при работе с картами учитывать их геодезическую основу, критиче­ски оценивая полученные результаты, в осо­бенности в прибрежных районах плавания.

Точность определения мести по сигналам СНС доплеровского типа характеризуется:

точностными характеристиками системы в целом (СКП составляет около 20 м);

точностными характеристиками приемоиндикаторов, степень совершенства которых в настоящее время определяется уровнем мате­матического обеспечения аппаратуры;

влиянием эффектов распространения ра­диоволн в ионосфере и тропосфере (на стоянке СКП для двухканального приемоиндикатора составляет 40—60 м, для одноканального — 100 120 м);

Погрешностью в учете курса и скорости судна во время навигационного сеанса. Погрешность в скорости в 1 уз вызывает допол­нительную погрешность в координатах 0,2-0,25 мили; неточность учета курса - 0,05 мили;

погрешностью в учёте высоты антенны приёмоиндикатора над уровнем геоида, которая трансформируется в погрешность места с коэффициентом 1—3, что свидетельствует о важности учета этого параметра;

погрешностью, связанной с геометрическим фактором.

Вклад каждой из перечисленных погреш­ностей в значительной степени зависит от вза­имного положения ИСЗ и судна. Минимальный вклад наблюдается в случае, если угол возвы­шения ИСЗ составляет 20—40, максималь­ный — при углах возвышения более 75°.

В большинстве моделей приемоиндикато­ров объявленные в документации точности вы­держиваются при углах возвышения 7—70°, и именно в этих случаях результаты обсерва­ций принимаются к автоматической коррек­ции счислимых координат. Обсервации при уг­лах возвышения за пределами 7—70° могут приниматься к принудительной коррекции только после оценки результатов штурманом.

При анализе обсерваций следует иметь в виду, что при углах возвышения ИСЗ более 75° значение широты места определяется до­статочно точно—в пределах нескольких кабельтовых, а погрешность долготы может до­стигать нескольких миль.

Точность определения времени по сигна­лам СНС «Цикада» и «Транзит»: во всех известных судовых приемоиндикаторах СНГ. «Транзит» погрешность индикации составляет ± 1 с, в приемоиндикаторах СНС «Цикада» ±0,5 с.

Снс NAVSTAR (GPS).

Состоит из 24 навигационных ИСЗ наземного командно-измерительного комплекса аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трёхмерном околоземном пространстве. Спутникм GPS расположены на 6 средневысоких орбитах (высота 20183) и имеют период обращения 12 часов. Плоскости орбит расположены через 60^о и наклонены к экватору под углом 55 ^о. На каждой орбите располагается 4 спутника, три основных и один запасной. 18 спутников – это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земли не менее 4-х спутников. Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она имеет 2 режима определения места судна: 2D (определение навигационных параметров на поверхности Земли) и трёхмерный 3D (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения положения объекта в трёхмерном режиме требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х ИСЗ, а при двухмерной навигации – не менее 3-х. В системе используется псевдодальномерный метод определения положения и псевдорадиально-скоростной метод нахождения скорости объекта. Излучение навигационных сигналов спутниками GPS производится на 2- частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения – непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой защищённый Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2 и общедоступный С/А-код (coarse and acquisition code), излучаемый только на частоте F1. В GPS для каждого спутника определён свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей: точные определения (PPS – precise positioning service) и стандартный определения (SPS – Standart positioning service), PPS основывается на точном Р-коде, а SPS – на общедоступном С/А-коде. Уровень обслуживания PPS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS – массовому гражданскому потребителю. Кроме кодов Р и С/А спутник регулярно передаёт сообщение, которое содержит информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Основными источниками погрешностей, влияющих на точность бортовой аппаратуры для массового потребителя являются:

- ионосферные погрешности, обусловленные задержками в распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, которые приводят к ошибкам определения положения порядка 20-30 м днём и 3-6 м ночью;

- тропосферные погрешности, причиной которых являются искажения в прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Они не превышают 30 м;

- эфемеридная погрешность, обусловленная разностью между расчётным и действительным положениями спутника, которая составляет не более 3 м;

- погрешность определения расстояния до спутника, обычно не превышает 10 м.

Средняя квадратическая величина погрешности режима селективного доступа (ошибки искусственного происхождения, вносимой до 2000 г. с целью загрубления навигационных измерений) составляла примерно 30 м. Следует также обратить внимание и на периодические возникновения в системе зон PDOP (Position dilution of precision), в которых не обеспечивается объявленная точность навигации. Эти зоны возникают в течении 5-15 минут в диапазоне 30-50^о градусов северной широты. Основным способом повышения точности местоопределений GPS в режиме SPS является применение принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный способ (DGPS) реализуется с помощью опорной станции с известными координатами, устанавливаемой в районе определений места. На станции располагается контрольный GPS-приёмник. Сравнивая свои известные координаты с измеренными, контрольный GPS-приёмник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу. Аппаратура потребителя в этом случае должна быть дополнена радиоприёмником для получения дифференциальных поправок. Поправки, принятые от опорной станции, автоматически вводятся в результаты измерений. Это позволяет установить в районе опорной станции координаты объекта с точностью 1-5 м. Точность DGPS-определений зависит от характеристик опорной станции и от расстояния от объекта до опорной станции. По этой причине опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Существенной проблемой, снижающей эффективность системы GPS, является неточность геодезической съёмки ряда районов Земли. GPS представляет координаты определяющихся объектов во всемирной географической системе WGS-84. Существуют поравки для перехода от этой системы к ряду других геодезических систем, одако не ко всем. В ряде районов Земли (например, о-ва Юго-Восточной Азии), съёмка которых производилась в далёком прошлом, из-за больших погрешностей опорных точек геодезической сети отличие координатной системы карт от WGS-84 может быть значительным. Из-за отсутствия поправок место судна в системе WGS-84, перенесённое на такую карту, может оказаться на берегу.

Советская глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС состоит из 24 ИСЗ, неземного командно-измерительного комплекса и является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трёхмерном околоземном пространстве. В полном объёме функционирование ГЛОНАСС началось с января 1996 г. Спутники ГЛОНАСС расположены на трёх средневысоких орбитах (высота 29100) и имеют период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 120^о и наклонены к экватору под углом 64,8^о. На каждой орбите располагается 8 спутников. Каждый спутник излучает информацию о своей точной позиции и информацию о позициюх других спутников. Излучение навигационных сигналов спутниками ГЛОНАСС производится на двух несущих частотах: F1 и F2. Значения частот F1 всех спутников ГЛОНАСС лежат в диапазоне 1602,6-1615,5 МГц и отличаются для разных спутников на величину кратную 0,5625 МГц. Соответственно значения частот F2 находятся в диапазоне 1246,4-1256,5 МГц и отличаются для разных спутников на величину, кратную 0,4375 МГц. Навигационные сигналы представляют собой Р-код, излучаемый на частотах F1 и F2, и С/А-код, излучаемый только на частоте F1. В отличие от GPS, где коды Р и С/А для разных спутников разные, в ГЛОНАСС они одинаковы для всех спутников. Таким образом в отличие от применяемого в GPS кодового метода в ГЛОНАСС реализован частотный метод различения навигационных сигналов спутников. ГЛОНАСС даёт место в геодезической системе П390. Разница между положением объкта в П390 и WGS-84 не превышает 15 м, в среднем случае она составляет 5 м. Система ГЛОНАСС может использоваться совместно с GPS (GPS and GLONASS global navigation satellite system – GNSS). Это позволяет по сравнения с GPS повысить точность числа наблюдаемых спутников, улучшения геометрии их расположения в высоких широтах, использования обоих кодов ГЛОНАСС в аппаратуре для массового потребителя, что даёт возможность более точно учесть в GPS ионосферную погрешность.