2437

Сущность обработки данных заключается в следующем (см. рис. 10.6). Информация гироскопов в виде проекций вектора абсолютной линейной скорости VX, VY, VZ на оси блока инерциальных измерений поступает в Алгоритм ориентации.

Алгоритм ориентации выполняет вычисление углов рысканья (курса) , тангажа , крена и параметров матрицы вращения C для перехода к горизонтной системе координат.

Информация акселерометров nC в виде проекций кажущегося ускорения (т.е. измеренное значение ускорения с учетом силы тяжести) передается в Блок пересчета.

Блок пересчета выполняет преобразование проекций ускорения nG на координатные оси горизонтной системы координат, используя элементы матрицы вращений C.

Алгоритм навигации осуществляет обработку данных в соответствии со схемой, приведенной на рис. 10.6: выполняет интегрирование уравнения движения Ньютона, определение текущих координат X, Y, Z и скорости полета V в горизонтной системе координат. Одновременно вычисляется абсолютная угловая скорость G вращения Земли и передается на вход алгоритма ориентации для коррекции матрицы вращения и последующего уточнения координат.

Вычисленные параметры движения передаются на панель управления полетом; при необходимости пространственные координаты могут быть перевычислены из горизонтной системы в ортодромическую систему координат, используемую при дальних и сверхдальних полетах.

Легко видеть, что если инерциальная навигационная система используется для нужд навигации автомобильного транспорта, то обработка инерциальных измерений может быть несколько иной:

вычисленные с помощью гироскопов углы наклона платформы с блоком инерциальных измерений используются только для счисления пути;

вместо горизонтной системы координат используется система,

в которой создана навигационная карта (преимущественно система координат 1942-го года, проекция Гаусса-Крюгера).

Для получения более точных навигационных данных блок измерений (см. рис. 10.6) дополняется датчиком температуры, давления и трехосным магнитометром для измерения параметров атмосферы и магнитного поля Земли; в связи с этим дополняются и функции блока вычислений.

71

10.3. Спутниковые навигационные системы

Спутниковая навигационная система (СНС) представляет собой совокупность наземного и космического оборудования, предназначенного для определения координат, высот, скорости и направления движения наземных, водных и воздушных объектов. Если такая система функционирует в пределах всей планеты, то она называется Глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС, или GNSS – Global Navigation Satellite System).

Технология использования спутниковых измерений при решении навигационных задач достаточно проста и заключается в периодическом определении геодезических, геоцентрических или плоских прямоугольных координат какой-либо точки объекта и еготраектории.

10.3.1.Действующие и разрабатываемые СНС

Внастоящее время действуют глобальные навигационные системы США (GPS) и России (ГЛОНАСС), поддерживаемые на государственном уровне; в ближайшие годы начнет функционировать ГНСС

	Galileo;	планируют создать	собственные
	навигационные системы Китай, Индия и
	Япония.
	Ниже кратко рассмотрены перечис-
	ленные выше спутниковые навигационные
	системы и приведены их общие характери-
	стики.
	ГНСС NAVSTAR (GPS) единст-
	венная	в настоящее время	полностью
Рис. 10.7. Космическая	укомплектованная система, более извест-
группировка	ная под	названием GPS, принадлежащая

Navstar (GPS)

Министерству обороны США и обеспечивающая предоставление услуг в глобальном масштабе.

Модель спутниковой группировки GPS включает 24 рабочих и три резервных спутника, размещенных в шести орбитальных плоскостях (рис. 10.7). Высота орбиты 20180 км, наклонение 55о, период обращения 11h57m. Всего с 1978 до середины 2008 года было запущено более 50-ти спутников нескольких модификаций, характеристики которых приведены в табл. 10.2 [6, 39].

Спутники GPS-III третьего поколения будут иметь увеличенный до 180 дней период автономной работы без вмешательства сегмента

72

управления и до 12 – 18 лет срок эксплуатации, а также средства борьбы с внешними воздействиями. Кроме того, увеличивается интенсивность сигнала, повышается до 1 м геометрическая точность позиционирования и пр.

Таблица 10.2

Параметр

Модификация космического аппарата

Block II

Block IIA

Block IIR

Block IIR-M

Block IIF

Масса, кг

987

987

1076

1076

1567

Срок

активного

7.5

7.5

10

10

12

существования

Межспутниковая

Нет

Да

Да

Да

Да

связь

Автономная работа,

14

180

180

180

Более 60

дней

Навигационный

L1:C/A+P

L1:C/A+P

L1:C/A+P

L1:C/A+P+M

L1:C/A+P+M

сигнал, код

L2:P

L2:P

L2:P

L2:C/A+P+M

L2:C/A+P+M

L5:C

Энергоисточник, Вт

700

700

1136

1136

2900 / 2400

Число

спутников

1

15

12

3

-

на орбите

Точность в режимах

Нет данных

2,0 / 1,8

3,0 / 0,90

C/A / P, м

Спутники GPS-III третьего поколения будут иметь увеличенный

до 180-ти дней период автономной работы без вмешательства сегмента управления и до 12–18 лет срок эксплуатации, а также средства борьбы с внешними воздействиями. Кроме того, увеличивается интенсивность сигнала, повышается до 1 м геометрическая точность позиционирования и пр.

Первый спутник системы GPS III должен быть запущен в

2013 2015 гг., а срок ее готовности к эксплуа-
тации – 2018 2020 гг. Как ожидается, GPS-III
прослужит до 2030 г.
В настоящее время исследуются досто-
инства и недостатки двух вариантов построе-
ния орбитальной группировки: 6 плоскостей
по 4 спутника на каждой и 3 орбитальные
плоскости по 7–8 спутников.	Рис. 10.8. Космическая
ГНСС ГЛОНАСС система, разрабо-
танная в 1978 г. и принадлежащая Министер-	группировка ГЛОНАСС
73

ству обороны России. Орбитальная группировка, включает 24 спутника в трех орбитальных плоскостях (рис. 10.8); высота орбиты 19130 км, наклонение 64.8о, период обращения 11h16m. Запуск трех спутников ГЛОНАСС осуществляется одной ракетой-носителем

«Союз-2».

Система в полном составе была введена в действие в 1995 году. По заявлениям разработчиков, она обладает некоторыми техническими преимуществами перед GPS. С 1998 г. орбитальная группировка практически не поддерживалось, в результате система оказалась частично

неработоспособной.
Восстановление системы ГЛОНАСС осуществлялось по				Феде-
ральной целевой программе «Глобальная навигационная система».				В со-
ответствии сней создаются	навигационные спутники новых			серий
	«ГЛОНАСС-М»и «ГЛОНАСС-К».
		ГЛОНАСС-М (рис. 10.9)
	– первый спутник второго поко-
	ления, запущенный на орбиту в
	конце 2004 г. Спутники этой се-
	рии	характеризуются наличием
	двух	сигналов	для гражданских
	потребителей,		увеличенным до
	семи лет сроком эксплуатации и
	более точной температурной ста-
	билизацией часов, что позволяет
Рис. 10.9. Спутник Глонасс-М	увеличить точность позициони-
	рования в два раза.
		ГЛОНАСС-К – спутник
	третьего поколения ГЛОНАСС,

летные испытания которого начались с 2010 г. Он отличается от предшественников: отсутствием импортных комплектующих; негерметичным исполнением корпуса (которое позволило существенно уменьшить его массу); повышенным до 10-ти лет сроком эксплуатации; наличием трех навигационных сигналов для гражданских потребителей и повышением (в сравнении с ГЛОНАСС-М) точности навигационных определений вдвое за счёт добавления 3-й частоты.

Некоторые характеристики космических аппаратов ГЛОНАСС представлены в табл. 10.3.

74

				Таблица 10.3
	Параметр	Модификация космического аппарата
		ГЛОНАСС	ГЛОНАСС-М	ГЛОНАСС-К
	Масса спутника, кг	1415	1415	950
	Срок активного существования, лет	3-4.5	7.5	10-12
	Число сигналов для гражданского	1	2	3
	использования
	Мощность батарей, Вт	1000	1600	1270

Состав группы КНС ГЛОНАСС на 05.09.2012:

Всего в составе ОГ ГЛОНАСС находится 31 КА. Используются по целевому назначению 24 КА. Временно выведены на техобслуживание 2 КА. Орбитальный резерв 4 КА. На этапе лётных испытаний 1 КА.

С 2013 г. планируется запуск новых спутников ГЛОНАСС-КМ, параметры которых позволят достичь точности, сравнимой с точностью аппаратов GPS III.

ГНСС Galileo – спутниковая навигационная система, разрабатываемая с 1999 г. по инициативе Европейской Комиссии (EC) и Европейского Космического Агентства (ESA) с целью обеспечения Европы собственной независимой глобальной навигационной системой и создания конкуренции, в первую очередь с GPS. Ее разработку не контролируют ни военные, ни правительственные структуры странучастниц проекта.

Полная орбитальная группировка Galileo будет насчитывать 30 спутников в трех орбитальных плоскостях высотой 23616 км от Земли и наклонением орбиты 56о; в каждой плоскости будут находиться 9 рабочих и 1 резервный спутник.

Принятая модель космической группировки, увеличение высоты орбиты и числа спутников в каждой из них гарантируют возможность наблюдения в любой точке планеты не менее восьми спутников. Это позволит повысить расчетную точность системы до 4-х м в плане и 8-ми м по высоте (с вероятностью 0,95), что вполне достаточно для многих применений на транспорте без дифференциальных поправок. Кроме того, в Galileo на порядок увеличивается скорость передачи навигационных данных (что важно для авиации) и предусмотрен контроль целостности системы, гарантирующий ее от случайных сбоев.

В конце 2005 г. с космодрома Байконур был запущен первый спутник Glove-A системы Galileo, работавший до конца 2006 г. в

75

демонстрационном режиме, а в апреле 2008 г. – второй спутник

Glove-B.

ГНСС Galileo, вводимая в эксплуатацию в 2013 г., будет передавать 10 сигналов различного назначения, в том числе для позиционирования с точностью не ниже 9-ти, а на платной основе – не ниже 1 м.

ГНСС Сompass – Китайская глобальная спутниковая навигационная система, которая создается для решения задач навигации, мониторинга лесных пожаров, наблюдений за погодой, обеспечения национальной безопасности и пр.

В начале 2007 г. СМИ Китая сообщили об успешном запуске с космодрома в южной провинции Сычуань и выводе на орбиту раке- той-носителем «Чанчжэн-3А» («Великий Поход») очередного, четвертого навигационного спутника «Beidou» («Путеводная звезда», как называют в Китае созвездие Большой Медведицы). Этот спутник, возможно, заменит один из запущенных ранее (два – в 2000 г. и

один – в 2003 г.).

Уже эксплуатируемые спутники располагаются на одной геостационарной орбите, и определять по ним свои координаты могут только жители Китая и прилегающих к нему областей. Объявлено о развертывании системы второго поколения в составе 5-ти спутников на геостационарной орбите и 30-ти спутников на средней земной орбите.

Доступ к навигационной системе будет предоставлен не только военным (как было объявлено ранее), но и гражданским лицам, которым обещана возможность определения координат с точностью до 10-ти м, определения времени с точностью в 50 нс и скорости перемещения приемника с точностью до 0,2 м/с; военные смогут получать более точные данные. Кроме того, Китай обещает расширить зону своего влияния до территории всего мира, но планы глобального покрытия территории планеты пока не объявлены.

Вместе с тем, специалисты считают подготовку системы к эксплуатации в ближайшие 5 лет маловероятной, так как несколько лет будут посвящены развертыванию наземного и космического сегментов системы, экспериментальной ее эксплуатации, тестированию и настройке.

IRNSS – Индийская региональная навигационная спутниковая система, разрабатываемая с мая 2006 г. Ее спутниковая группировка включает семь спутников, три из которых размещаются на геосин-

76

хронных орбитах, в зоне постоянной радиовидимости с управляющих станций, а четыре – на орбитах с наклонением 29о.

Контроль и координация работ по развертыванию системы осуществляется правительством Индии; разработка и выпуск спутниковых приемников, принимающих сигналы IRNSS, будут осуществляться только индийскими компаниями.

QZSS – Японская региональная навигационная система, о создании которой объявлено в 2002 г., предназначенная для улучшения характеристик GPS на национальной территории и некоторых соседних территориях Юго-Восточной Азии. Внедрение QZSS позволит существенно повысить эффективность решения навигационных и других задач и придаст ускорение внедрению новых применений для навигации, которые требуют большей точности и надежности.

11 сентября 2010 г. в Японии с космодрома Танегасима был успешно запущен навигационный спутник Michibiki.

В космический сегмент войдут 3 спутника, орбиты которых выбираются так, чтобы их подспутниковые точки описывали на земной поверхности одну и ту же траекторию с одинаковыми интервалами времени. Один из спутников будет виден в любое время на территории Японии и Кореи под углом места более 70-ти градусов, что и определило название системы Quasi-Zenith (квази-зенит). Сигналы спутников будут приниматься во всей зоне их видимости, обеспечивая навигацию и передачу сигналов точного времени [45].

Сигналы спутников QZSS будут полностью совместимы с сигналами будущей GPS; некоторые из этих сигналов будут передаваться с помощью параболической антенны на Японию и содержать поправки, позволяющие повысить точность измерений с помощью сигналов GPS

и, возможно, Galileo.

10.3.2. Основные компоненты СНС

Основными компонентами любой спутниковой навигационной системы являются:

•орбитальная группировка (космический сегмент);

•наземный сегмент управления;

•аппаратура пользователя;

•дифференциальная подсистема, осуществляющая определение и передачу по радиоканалам поправок к дальностям или координатам определяемых точек.

77

Ниже рассмотрены перечисленные компоненты систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo, эксплуатация которой начнется уже в ближайшие годы.

Орбитальная группировка

Орбитальная группировка состоит из симметрично распределенных по орбитам основных и резервных спутников и характеризуется числом спутников, плоскостей орбит, их высотами и наклонением к экваториальной плоскости.

Модель группировки определяет важнейшие эксплуатационные параметры системы и разрабатывается на начальном этапе создания системы. Обычно она обозначается в виде T/P/F, где T – общее число спутников; P – число плоскостей орбит; F – период обращения спутника. Отношение T/P определяет число спутников в каждой плоскости [7]; в некоторых работах параметр F характеризует специфическую геометрию группировки в части межплоскостной фазировки орбит через 360° по возвышениям узлов (ascending node).

Модель группировки определяет видимое в каждый момент времени созвездие спутников в той или иной точке планеты, и, как показывают расчеты, она оптимальна в системах ГЛОНАСС и Galileo. Поэтому не случайно, что группировка GPS сегодня насчитывает 31 спутник и рассматривается возможность ее увеличения до 32-х спутников.

Рабочая зона системы включает поверхность планеты и околоземное пространство до высоты, зависящей от модели группировки и высоты орбиты. Для системы GPS эта высота составляет 3000 км (высота орбиты 20180 км), а для ГЛОНАСС – 2000 км (высота

19130 км).

Наклонение орбиты определяет максимальную широту подспутниковых точек, и, следовательно, обеспечение оптимальных выходных характеристик СНС для стран, расположенных в южных, средних, северных или близких к ним широтах (например, спутники индийской системы IRNSS с наклонением орбиты 29 ориентированы на использование в странах, прилегающих к экватору; американской и европейской систем с наклонениями орбит 55-56 – в южных странах, а ГЛОНАСС с наклонением 65 – в северных странах).

Параметры действующих орбитальных группировок, в том числе основные характеристики спутников, рассмотрены ранее (3.1).

78

На спутниках имеется несколько эталонов частоты и времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов, бортовой компьютер, солнечные батареи и другое оборудование.

Наземный сегмент

Наземный сегмент системы включает главную станцию управления и несколько станций слежения, на которые выполняются траекторные измерения, расчет элементов орбиты, прогноз положения спутников на сутки вперед и пр. Эти данные, называемые эфемеридами, через главную станцию управления транслируются на спутники, чтобы через них дойти до пользователя в навигационных сообщениях.

В 1994 г. к траекторным измерениям и расчету эфемерид спутников GPS и ГЛОНАСС подключилась Международная Служба Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (The International GNSS Service, IGS), объединяющая на добровольной основе более 200 организаций 80-ти стран мира и около 380-ти станций, которые регистрируют и сохраняют "сырые" данные. Кроме выполнения измерений IGS занимается определением и уточнением параметров Международной Земной Отсчетной Основы (ITRF), ее реализацией, определением точных эфемерид спутников GPS/ГЛОНАСС, поправок

вчасы приемников и спутников, исследованием вращения Земли и состояния различных слоёв атмосферы и др.

Представленные в IGS «сырые» результаты измерений обрабатываются, а вычисленные эфемериды всех спутников в виде их геоцентрических координат в системе ITRF с интервалом через 15 минут

ввиде текстовых файлов через сеть Интернет бесплатно представляются заинтересованным предприятиям и организациям.

Эфемериды спутников GPS готовятся в файлах трех типов:

Final – «суточные» файлы, доступные через 12 дней и содержащие окончательные значения эфемерид и поправок часов;

Rapid – те же файлы, но с задержкой примерно на 17 часов;

Ultra-rapid – файлы, подготавливаемые и обновляемые четыре раза в сутки сериями данных за 48 часов, в т.ч. числе измерения

за прошедшие сутки с задержкой на 3 часа, и прогноз положения спутников на следующие сутки.

Во всех файлах эфемериды имеют погрешности менее 5-ти см, а поправки к часам каждого спутника – порядка 0,1 – 0,2 нс.

Аналогичные данные для спутников ГЛОНАСС менее востребованы, а точность их эфемерид составляет порядка 30 см.

79

Аппаратура пользователя

Аппаратура пользователя представлена спутниковыми навигационными приемниками, которые различаются по способности приема и обработки сигналов одной или нескольких навигационных систем (GPS/ГЛОНАСС/Galileo), числу каналов (определяющему число одновременно наблюдаемых спутников), виду обрабатываемых сигналов (кодовые, фазовые) и др.

Рис. 10.10. Приемники геодезический NovAtel DL-V3 (слева)

и навигационный GPS Pocket Navigator PN-169

Фирмы, осуществляющие выпуск и распространение спутниковых приемников, классифицируют их по области применения:

навигация (морские, речные, автомобильные, авиационные и др. приемники);

геодезия (приемники для построения геодезических сетей, топографической съемки, специальных работ);

ГИС (для сбора и анализа данных);

телекоммуникация (мобильная связь) и пр.

Удобство такой классификации заключается в том, что ориентированный на конкретное использование приемник заранее комплектуется графическим дисплеем, прикладным программным обеспечением, навигационными картами и средствами их редактирования и др. (рис. 10.10).

Современные приемники обычно принимают сигналы одной, двух или трех навигационных систем, обеспечивают возможность кодовых и фазовых измерений и пр. Они имеют по 6–12 и более каналов, что позволяет отслеживать практически все навигационные

80