Cпутниковые Системы

22

непредвиденным возмущениям и помехам, обеспечить резервирование навигационного сигнала. Необходимо также отметить продолжающиеся усилия специалистов по поиску новых, более приемлемых с некоторых точек зрения (обеспечения помехозащищённости) сигнально кодовых конструкций для GPS.( Spilker J. Orr R. Code Multiplexing via Majority Logic for GPS Modernization, ION GPS 98 Proc., Nashwille, 1998).

Сообщается (Home page Навигационного центра береговой охраны США. 21.11.2000), что фирмы BOEING и Lockheed Martin Space System

получили от ВВС США контракты суммой в 16 млн. долл. Каждая сроком на 12 месяцев для конкурсной проработки облика перспективного НКА GPS III, который должен быть создан к 2009 г. Считается, что запускаемый в настоящее время НКА Блок II R фирмы Lockheed Martin предназначен для замены выработавших свой ресурс спутников, а его передатчики должны обеспечить передачу гражданского сигнала на второй частоте. Фирма Boeing создаёт также небольшое число спутников Блок II F, передатчики которых будут передавать как дополнительный гражданский сигнал на частоте L2, так и дополнительные военные сигналы, а также дополнительный гражданский сигнал на частоте L5.

Планируемые мероприятия предполагаются провести до 2010 г., включая запуск 12 КА Блок II F. Практически использовать частоту L2 гражданским потребителям можно будет с 2008 г., когда общее число соответствующих спутников составит 18. подобным образом, созвездие из 18 спутников с сигналом на частоте L5 предполагается развернуть к 2012 г.

[Shaw M., modernization of the GPS www gpsworld.com, 17.11.2001].

Отметим, что если уровни мощности у земли для сигналов с С/А- кодами-160 дБВт, то для сигналов на частоте L5 c F-кодами-154 дБВт, т.е. в 4 раза мощнее. В настоящее время имеются описания структур этих сигналов, что позволяет проводить необходимые практические проработки соответствующей приёмной аппаратуры. Уровни сигналов с М-кодами в заданных регионах после 2010 г. могут достигать-138 дБВт, что превысит

© Карасев В.В.

22

23

уровни сигналов с P (Y)- кодами не менее чем на 20 дБ [Shaw M., modernization of the GPS www gpsworld.com, 17.11.2001]. Опубликованы описания гражданского сигнала в диапазоне L2. здесь допускаются варианты: или сигнал на основе С/А-кода с навигационным сообщением (или без него), или специальный гражданский сигнал L2C, отличающийся лучшими кросскорреляционными характеристиками по сравнению с сигналами на основе С/А-кода и соответственнолучшей помехоустойчивостью по отношению к узкополосным помехам. Код L2C имеет ту же тактовую частоту 1,023 МГц, что и С/А-код. Это позволяет сохранить преимущества использования более низких частот в маломощных радиоустройствах таких, как совмещённые приёмники сотовой телефонии и спутниковой навигации и т.д. После проведения всех мероприятий по модернизации GPS в частности сигнально-кодовых конструкций, улучшения синхронизации и эфемеридного обеспечения, повышение энергетических показателей можно ожидать точностных характеристик определения псевдодальностей и координат в горизонтальной плоскости, приведённых в таблице 3.2. отдельно приведённые точностные характеристики использования при приёме одной, а также двух и более частот сигналов GPS. (Shaw M., modernization of the GPS, GNSS-2000 Conference Proc., Edinburgh, 2000).

Таблица 2.2 Точностные показатели после модернизации GPS

Источник ошибок	Ошибка (СКО) определения
	псевдодальности, м
	Одна	Две и более
	частота	частоты
Ионосфера	7,0	0,01
Тропосфера	0,2	0,2
Эфемеридное обеспечение и	2,3	2,3
синхронизация
Шумы приёмника	0,6	0,6
Многолучёвость	1,5	1,5
Общая ошибка	7,5	2,8
Типичный HDOP	1,5	1,5
Ошибка определения координат	22,5	8,5

© Карасев В.В.

23

		24
	Ошибка (СКО) определения
Источник ошибок
	псевдодальности, м
	Одна	Две и более
	частота	частоты
в горизонтальной плоскости,
95%

3.6Развитие Системы Глонасс

Ксожалению, использование Глонасс сейчас затруднено в связи с тем, что число НКА сократилось с номинального 24 до 7-11 с учётом последнего запуска 25.12.2002 г. Это позволяет пока использовать Глонасс практически лишь в течение не более 20…30% времени суток с ухудшенной точностью. По распоряжению правительства РФ № 587 от 20.08.2001 г. Утверждена Федеральная целевая программа (ФЦП) «Глобальная навигационная система» на 2002-2011 гг. общий объём финансирования составляет 23,6 млрд. руб., включая внебюджетные ассигнования. ФЦП включает 5 программ:

Обеспечение функционирования и развития системы Глонасс.

•Разработка, подготовка производства, изготовление навигационного оборудования и аппаратуры для гражданских потребителей.

•Внедрение и использование СНС.

•Использование СНС для геодезического обеспечения территории России.

•Обеспечение применения СНС в интересах специальных потребителей 1.12.2001 г. Осуществлён запуск 3-х КА, среди которых один аппарат

Глонасс-М с 5-летнимсроком активного существования. Планируемое

состояние орбитальной группировки						КА	в	предстоящий			период
характеризуется таблицей 2.3
Таблица 2.3
Год	2003	2004	2005	2006		2007	2008		2009	2010		2011
Число	11-	15-18	17-20	20-24		23-25	24-25		24-25	24-25		24-25
НКА	12

© Карасев В.В.

24

25

Таким образом, в соответствии с ФЦП орбитальную группировку Глонасс в 2005 г. Предполагается довести до работоспособного состояния 1518 КА и восстановление в полном составе намечено на 2007 г. В 2002 г. Осуществлён запуск 3-х КА с одним КА имеющим срок активного существования 7 лет. Далее с 2005 г. должны запускаться спутники Глонасс- К со сроком активного существования 10-12 лет.

Общие направления модернизации Глонасс предусматривают:

•Повышение точности навигационных определений и улучшение сервиса, предоставляемого пользователям.

•Повышение надёжности и срока службы бортовой аппаратуры спутников и улучшение целостности системы.

•Улучшение совместимости с другими радиотехническими системами. Развитие дифференциальной подсистемы (о ней поговорим позже).

Вновь запускаемые НКА по сравнению со спутниками первой модификации (Таблица 1.2) обладают следующими основными преимуществами:

Более стабильной бортовой АСЧ, имеющий среднеквадратическое относительное отклонение среднесуточных значений частоты не хуже

1*10-13.

Погрешности СКО ЧВП составит 5 нс при прогнозе на 12 ч и 7 нс при прогнозе на 24 часа.

Меньше уровень немодулированных возмущений орбиты НКА, что позволит повысить точность определения и прогноза ЭИ.

Двухкомпонентный навигационный радиосигнал (узкополосный и широкополосный) в обоих диапазонах частот 1600МГц и 1250 МГц.

В связи с передачей дальномерного кода в диапазоне L2 в навигационном сообщении будет передаваться дополнительный параметр, характеризующий разницу аппаратных задержек дальномерных кодов в диапазонах L1 и L2. Предполагается ввод сигнала на 3-й частоте в диапазоне

© Карасев В.В.

25

26

L2. Кроме того, будет введён признак модификации НКА, а также признак ожидаемой секундной коррекции шкалы времени UTC (SU).

Замена в ОГ системы Глонасс НКА 1-й модификации на НКА Глонасс- М и Глонасс-К повысит точность и надёжность глобальной навигации приземных и космических подвижных объектов.

Таблица 2.4 Сравнительные характеристики КА системы Глонасс

	Наименование КА	Глонасс	Глонасс-М	Глонасс-К
	Годы использования	1995-2006	2002-2012	2004…
	Срок активного	3	7	10-12
	существования, лет
	Масса, кг	1400	1400	750
	На РН ПРОТОН	3 шт	3 шт	6 шт
	На РН СОЮЗ	-	-	2 шт
	Энерговооружённость,	1000	1000	1000
	Вт
	Кол-во сигналов	1	2	3
	Кол-во спецсигналов	2	2	3
	Дополнительные	-	-	Система поиска
	задачи			и спасения

© Карасев В.В.

26

27

4 ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РЕШАЕМЫЕ ПЛОТТЕРАМИ СНС

Число областей применения GPS-средств и методов в практической деятельности современного общества неожиданно и впечатляюще велико. Их можно систематизировать по содержанию основных задач и как следствие по сходным потребительским свойствам пользовательских приемников.

Вслед за определением текущих координат, GPS приемник должен обеспечить легко понятное руководство (guidance) до точки назначения. Так как вам придется вводить, редактировать и вызывать контрольные точки (waypoints), способы манипулирования ими должны быть так же простыми. Эзотерические функции, такие как, положение спутников, планирование путешествия, информация о закате и рассвете, и т.д. должны быть доступны, но навигация к контрольной точке (waypoint) должна стоять на первом месте.

В принципе, одна-единственная экранная форма должна содержать всю необходимую информацию для того, чтобы добраться до точки назначения, без необходимости переключаться между разными экранными меню. Наилучшим решением является настраиваемая пользователем экранная форма способная отображать ту информацию, которая вам нужна.

К сожалению, не все производители используют этот подход. Напротив, они предоставляют бесконечные формы, ни одна их которых не способна отобразить всю информацию, которая необходима одновременно. Каждая экранная форма должна иметь свое предназначение, а не просто списком беспорядочных, запутанных чисел. Не вводите себя в заблуждение количеством экранных форм, удобство и понятность представления данных - вот то, что действительно имеет значение.

Практически все виды GPS-приемников обеспечивают:

•определение двух или трех текущих координат точки (фокуса приемной антенны) либо на земной поверхности, либо над ней ( долгота, широта и высота над уровнем моря);

•определение трех составляющих скорости объекта;

© Карасев В.В.

27

28

•определение точного времени с погрешностью в обычных случаях не более 0,1 секунды;

•вычисление истинного путевого угла объекта;

•прием и обработку большого количества вспомогательной информации, необходимой для своего функционирования.

Эти задачи мы назовем основными для всех GPS-приемников. Различия в классах приемников начинаются там, где проявляются

специфические требования, связанные с областью применения.

© Карасев В.В.

28

29

5 ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ВЫЧИСЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА

5.1 Области применения GPS - средств

Традиционно первой, является область навигации подвижных объектов. Ей соответствуют GPS-приемники навигационного класса, определяющие местоположение с погрешностью не хуже нескольких десятков метров. За исключением специальных задач, это - очень высокая точность навигации.

Эти приемники используются на автомобилях, речных и морских кораблях, на самолетах и вертолетах, на космических аппаратах и при перемещениях пешком. Общим для всех подвижных объектов является наличие скорости их движения по отношению к земной поверхности и традиционный набор штурманских задач.

Прежде, чем начать движение по маршруту, т.е. подняться в воздух, отплыть из гавани или отправиться в путь на автомобиле, штурман экипажа осуществляет детальную проработку предстоящего маршрута. Он делает прокладку маршрута по карте, определяет все контрольные путевые точки, проводит расчет необходимой скорости движения и графика ее изменения по различным отрезкам пути, расчет продолжительности движения и времени прибытия, запаса горючего. А так же определяет многие другие элементы предстоящего маршрута, которые он будет контролировать и корректировать в процессе полета, плавания или поездки.

Помимо указанных выше основных задач, современные GPS-приемники навигационного класса в полуавтоматическом режиме выполняют также всю штурманскую работу, как по "предполетной подготовке" так и в "полете". В зависимости от назначения приемника его встроенный компьютер решает значительное количество сервисных задач. Таких, как:

• хранение и выдача информации об условиях навигации самолетов и судов кораблей в окрестностях мировых морских портов и аэропортов (обновляемые магнитные карты);

© Карасев В.В.

29

30

•связь по стандартным интерфейсам с внешним оборудованием и вычислительными средствами и, в частности, работа в среде различных навигационных и информационных комплексов;

•накопление во внутренней памяти приемника массивов данных измерений для проведения различного рода статистических обработок;

•выполнение значительного количества вспомогательных операций, обеспечивающих оперативный контроль за работой систем приемника в меняющихся условиях приема спутниковых сигналов;

•дружественный интерфейс с оператором.

Наличие скорости движения накладывает ряд специфических требований, которые учитываются при схемном проектировании приемников. Например навигационные приемники авиационного назначения должны быть достаточно быстродействующими, чтобы не отставать в определении текущих координат и скорости от самого объекта и не создавать дополнительных "динамических" погрешностей.

Естественно, что объекты различаются по диапазонам скоростей движения и интенсивности маневров. А их штурманам необходим несколько различный набор сервисных задач. Поэтому разрабатываются и находят широкое применение штурманские GPS-приемники для самолетов и вертолетов, кораблей и наземного транспорта. С их применением безопасность движения и достоверность и точность решения навигационных задач существенно возрастают.

В настоящее время самые авторитетные правительственные и общественные организации, связанные с проблемами безопасности движения и надежности авиационных средств работают над проектами законодательных документов по включению навигационных GPSприемников в состав обязательного штатного бортового оборудования водных и воздушных судов, а также наземного транспорта.

Второй, весьма обширной областью применения GPS-средств и методов является ЗЕМЛЕМЕРИЕ в самом широком понимании этого слова.

© Карасев В.В.

30

31

Мы отнесем к этому термину не только обмер сельскохозяйственных угодий. Но все, что в теоретическом и практическом плане связано с измерениями Земли и ее поверхности.

Таким образом СРНС может решать следующие задачи:

•задачи геофизики, геологии, геодезии, картографии и аэрофотосъемки, гидрографии,

•задачи планиметрии и традиционного землемерия,

•задачи инженеров землеустроителей и специалистов по земельным кадастрам,

•задачи привязки и координирования масштабных строительных объектов таких, как мосты, электростанции, взлетные полосы, автомобильные шоссе и продуктопроводы большой протяженности,

•а так же задачи измерения скорости суточного вращения Земли и связанные с этим проблемы измерения точного времени и абсолютной по точности привязки временных шкал разных географических

регионов и разных промышленных объектов к единому времени, в нашем понимании - это все задачи Землемерия с большой буквы. Важнейшей особенностью подавляющего большинства этих проблем

является требование исключительной точности определения координат, моментов времени и временных интервалов. Здесь счет погрешностям идет на доли метра и доли сантиметра при измеряемых расстояниях в десятки километров. А погрешности привязки временных шкал в большинстве случаев не должны превышать десятков микросекунд.

GPS-приемники, отвечающие этим требованиям мы будем условно называть приемниками геодезического класса. Они существенным образом отличаются от навигационных собратьев своими методическими основами и алгоритмами и программами обработки спутниковых сигналов, а так же возможностями встроенных компьютеров и составом и содержанием сервисного программного обеспечения.

© Карасев В.В.

31