Спутниковые навигационные системы
| Вид материала | Документы |
Содержание3. Общие сведения о СНС Наземные станции Точность определения Зона действия Используемая система координат Автономный контроль целостности на борту ВС |
- Заседание Зал «Большой», 330.26kb.
- Приборы навигации Область исследования, 34.88kb.
- Проект «Навигационные системы, технологии и услуги», 249.93kb.
- И. В. Потуремский, Д. А. Бородавкин, ОАО "Информационные спутниковые системы" им ак., 31.3kb.
- Рабочей программы дисциплины Спутниковые и наземные системы радиосвязи по направлению, 35.36kb.
- Положение о проведении Научно-технической конференции молодых специалистов, 99.67kb.
- Спутниковые системы местоопределения, 329.88kb.
- Роль телекоммуникационных систем связи и передачи данных в современном мире нельзя, 22.06kb.
- Темы конференции: Антенно-фидерные устройства систем спутниковой связи Космические, 24.79kb.
- Цель и тематика конференции, 83.49kb.
3. Общие сведения о СНС
3.1. Организация и основные технические данные СНС
GPS и ГЛОНАСС представляют собой автономные среднеорбитальные спутниковые системы, позволяющие с высокой точностью определять пространственные координаты подвижных и неподвижных объектов на поверхности Земли и в околоземном пространстве, а также осуществлять точную координацию времени.
Организация работы обеих систем является схожей, и GPS, и ГЛОНАСС состоят из трех основных сегментов:
- подсистемы космических аппаратов (ПКА);
- подсистемы контроля и управления (ПКУ);
- навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8 и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45. Кроме этого, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.
Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.
Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов.
Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех (трех) спутников ГЛОНАСС, а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется “привязка” шкалы времени потребителя к шкале Всемирного координированного времени - UTC.
Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигационных определений, выбор рабочего "созвездия" навигационных космических аппаратов и обнаружение передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навигационного сообщения.
В системе GPS спутники равномерно распределены на 6-ти орбитах, плоскости которых наклонены под углом 55° к плоскости экватора и на каждой орбите находится по 4 спутника. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 60°.
Основные технические данные GPS и ГЛОНАСС приведены в табл. 3.1.
Для гражданских пользователей GPS предусмотрено стандартное определение местоположения с использованием грубого кода в режиме селективного доступа (S/A) и без этого режима. Для более точного определения местоположения предусмотрено использование точного кода с санкции Министерства обороны США (см. таб. 3.1).
Таблица 3.1
Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС
| Параметры | GPS | ГЛОНАСС |
| Спутники | | |
| Количество спутников | 32* | 24 |
| Количество орбит | 6 | 3 |
| Высота орбит, км | 20200 | 19100 |
| Период обращения, ч. мин | 11.56 | 11.15 |
| Наклон орбиты, град | 55 | 64,8 |
| Несущая частота (L1) МГц | 1575,42 | 1575,42 |
| Источник питания | Солнечная батарея и аккумулятор | |
| Наземные станции | | |
| Главная станция управления | 1 | 1 |
| Контрольные станции | 5 | 2 |
| Загрузочные станции | - | 4 |
| Лазерные станции слежения | - | 1 |
| Наземные антенны | 3 | - |
| Точность определения | | |
| а) местоположения в плане, м: | | 50 - 70 (P = 99,7%) |
| - грубый код с S/A | 100 (Р= 95%) | |
| - грубый код без S/A | 25 (P = 95%) | |
| - точный код | 22 (P = 95%) | |
| б) по вертикали, м: | | 70 (P = 99,7%) |
| - грубый код с S/A | 156 (P = 95%) | |
| - грубый код без S/A | 43 (P = 95%) | |
| - точный код | 27.7 (P = 95%) | |
| в) скорости, м/с | 0,2 (P = 95%) | 0,15 (P = 99,7%) |
| г) времени, мкс | 0,34 | 1 |
| Зона действия | Глобальная | |
| Число одновременных пользователей | Не ограничено | |
| Используемая система координат | WGS-84 | ПЗ-90.02 |
*) Фактическое количество спутников, штатное количество – 24. Фактическое количество спутников может меняться.
3.2. Общие принципы функционирования СНС
Принципы функционирования GNSS сравнительно просты, однако для их реализации используются передовые достижения науки и техники.
Все спутники GPS или ГЛОНАСС являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах (L1; L2), который может быть принят соответствующим приемником пользователя, находящегося в зоне действия спутника. Передаваемый сигнал содержит следующую информацию:
- эфемериды спутников;
- коэффициенты моделирования ионосферы;
- информация о состоянии спутника;
- системное время и уход часов спутника;
- информация о дрейфе спутника.
В приемнике бортового оборудования ВС генерируется код, идентичный принимаемому со спутника. При сравнении двух кодов определяется временной сдвиг, который пропорционален дальности до спутника. Принимая одновременно сигналы от нескольких спутников, можно определить местоположение приемника с высокой точностью. Очевидно, что для функционирования системы необходима точная синхронизация кодов, генерируемых на спутниках и в приемниках.
Ключевым фактором, определяющим точность системы, является то, что все составляющие спутникового сигнала точно контролируются атомными часами. Каждый спутник имеет по четыре квантовых генератора, являющихся высокоточными цезиевыми стандартами частоты, суточная нестабильность которых составляет 5·10-13. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников составляет 20 нс. Основой для формирования шкалы системного времени в СНС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет 5·10-14. Часы приемника менее точны, но их код постоянно сравнивается со спутниковыми часами и вырабатывается поправка, компенсирующая уход.
Наземный сегмент осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные параметры спутников. Данные о результатах измерений, выполненных каждой контрольной станцией, обрабатываются на главной станции управления и используются для прогнозирования эфемерид спутников. Там же, на главной станции управления формируются сигналы для коррекции спутниковых часов.
Местоположение ВС с использованием GPS и ГЛОНАСС определяется в геодезических системах координат.
4. Классификация приемоиндикаторов СНС
В зависимости от назначения приемоиндикаторы (ПИ) СНС подразделяются на три группы:
- геодезические;
- навигационные;
- бытовые (рис. 4.1).
Далее рассмотрены ПИ, применяемые только для целей воздушной навигации.
Рис. 4.1. Классы приемоиндикаторов СНС
Приемник спутникового навигационного сигнала (ГЛОНАСС/GPS-приемник) – это микросхема или совокупность микросхем (иногда по контексту с антенной или без таковой) с соответствующим программным обеспечением, задача которых принимать и декодировать сигналы спутниковой навигационной системы и выдавать на выходе координаты объекта в определенном формате. В том случае, когда приемник выдает информацию в навигационный комплекс, то он является датчиком СНС.
Навигационные приемоиндикаторы, сертифицированное США по техническому стандарту ТSO-С129, делится на три класса: А, В, С. Знание классов оборудования необходимо для практических целей, т.к. на картах (схемах) могут быть указаны ограничения по использованию конкретного класса оборудования
Класс А – оборудование, сочетающее в себе навигационный датчик, определяющий трехмерные координаты ВС: широту (B), долготу (L), высоту (H), время (UTC) и вектор путевой скорости (W), а также навигационный вычислитель, решающий навигационные задачи и имеющий ряд сервисных и справочных функций. Это самый распространенный класс оборудования СНС, которое устанавливается на ВС, не имеющих навигационных комплексов последнего поколения (КС ПНО, FMS). Для гарантирования целостности в приемник встраивается устройство, обладающее функцией автономного контроля целостности в приемнике (RAIM) (см. далее).
Оборудование класса А имеет подклассы: А1 и А2. Оборудование подкласса А1 одобрено для маршрутного полета, полета в зоне аэропорта и для неточного захода на посадку. Оборудование подкласса А2 одобрено для маршрутного полета и полета в зоне аэродрома.
Поскольку оборудование СНС класса А является также и оборудованием зональной навигации, то к нему применяются такие же требования, как и к аппаратуре зональной навигации.
Класс В – оборудование, состоящее из навигационного датчика и устройства передачи данных: φ, λ, h, UTC, W в навигационные комплексы. Оборудование класса В можно рассматривать как один из датчиков многофункциональных навигационных систем, в которых происходит или коррекция координат по данным от СНС, или счисление координат по получаемой от СНС информации, и в которых происходит решение всех навигационных и сервисных задач на более высоком уровне, определяемом возможностями этих систем, как правило, большими, чем у оборудования класса А.
Оборудование класса В имеет подклассы: В1, В2, В3, В4. В оборудовании подклассов В1 и В2 предусмотрен RAIM. Оборудование подкласса В1 позволяет выполнять маршрутный полет, полет в зоне аэродрома и неточный заход на посадку, а В2 – полет по маршруту и в зоне аэродрома. В оборудовании подклассов В3 и В4 датчики объединены, чтобы на уровне ВС обеспечить контроль целостности, эквивалентный тому, который обеспечивает RAIM. Оборудование подкласса В3 позволяет выполнять маршрутный полет, полет в зоне аэродрома и неточный заход на посадку, а В4 – полет по маршруту и в зоне аэродрома.
Класс С – оборудование класса С, как и класса В, является датчиком для навигационных комплексов, обеспечивающих автоматический и директорный режим выполнения полета. Взаимодействие с бортовым комплексом всегда двустороннее с целью поддержки всех алгоритмов работы оборудования СНС в процессе обработки информации от спутников. Таким образом, оборудование класса С “встроено” в комплексные системы пилотажно-навигационного оборудования и является его составной частью. В силу этого и ряда других факторов оборудование класса С считается более надежным, чем классов А и В. Это оборудование, как правило, не имеет своих органов управления и индикации, а обращение к СНС, управление оборудованием СНС класса С производится через многофункциональные пульты. Оборудование СНС класса С взаимодействует не только с навигационным оборудованием ВС. Как датчик параметров полета (φ, λ, h, UTC, W), оно используется в системах TCAS, ADS, дисплеях навигационной обстановки, ответчиках режима S и других.
Оборудование класса С делится на подклассы: С1, С2, С3, С4. Подклассы С1÷С4 соответствуют подклассам В1÷В4.
В табл. 4.1 перечислены требования TSO C129 к рассмотренным выше классам оборудования.
Бортовое оборудование СНС класса А, В и С имеет функцию наблюдения за достоверностью информации, получаемой от спутников – RAIM (Reciever Autonomous Integrity Monitoring) – автономный контроль целостности в приемнике.
RAIM – функция процессора бортового приемника СНС, обеспечивающая автономный контроль целостности сигналов навигационных спутников. Ее назначение:
– своевременно обнаружить неустойчиво работающий спутник и исключить его из обработки для навигационных определений;
– рассчитать текущую ошибку определения координат и, сравнивая расчетное значение с максимально допустимой на данном этапе полета, предупредить летный экипаж о выходе расчетной ошибки за предельные значения;
– определить геометрию спутников в заданной точке, в заданное время и предупреждать экипаж о том, что требуемая точность и надежность навигации по СНС в этой точке не будут обеспечены, выдавать сообщение об отказе СНС в целом и невозможности ее использования для навигации.
Для решения этих задач бортовое оборудование СНС должно иметь функцию RAIM или ее эквивалент AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) – бортовая автономная система контроля целостности.
Таблица 4.1
Классификация GPS-датчик
| Класс оборудования | Наличие RAIM | Инерциальная система, обеспечивающая функцию RAIM | Район полета: | |||
| океани- ческий | континен- тальный | аэроузел | неточный заход на посадку | |||
| Класс А – GPS-датчик и навигационный вычислитель | ||||||
| А1 | + | | + | + | + | + |
| А2 | + | | + | + | + | нет |
| Класс В – GPS-датчик с возможностями интегрирования в навигационной системе (т.е. КС ПНО (FMS), многофункциональная навигационная система) | ||||||
| В1 | + | | + | + | + | + |
| В2 | + | | + | + | + | нет |
| В3 | | + | + | + | + | + |
| В4 | | + | + | + | + | нет |
| Класс С – GPS-датчик с возможностями интегрирования в навигационной системе (как в классе В), которая обеспечивает расширенные возможности автоматического и директорного режима полета и уменьшение навигационных ошибок | ||||||
| С1 | + | | + | + | + | + |
| С2 | + | | + | + | + | нет |
| С3 | | + | + | + | + | + |
| С4 | | + | + | + | + | нет |
Примечание. Знаком "+" указано наличие и возможность.
Обеспечение этой функции достигается обработкой сигналов, как минимум, одного дополнительного спутника. Такой алгоритм реализован в оборудовании класса А1, А2, В1, В2, С1, С2, и он заключается в том, что в целях RAIM производятся несколько независимых определений, результаты которых сравниваются между собой. По результатам этих расчетов определяется четыре устойчиво работающих спутника и по этим “отфильтрованным” спутникам производится определение навигационных параметров (B, L, H). При этом “фильтрующие” расчеты при работе RAIM не используются для навигационных расчетов. Но если функция RAIM отфильтровала один из 5-ти видимых спутников, то RAIM перестает работать, о чем информируется летный экипаж ВС. Воспринимать такую информацию следует так: навигационные расчеты продолжают выполняться, но они никак не контролируются и нужно быть очень внимательным. Как правило, при пропадании RAIM должны быть предусмотрены специальные навигационные процедуры.
Если бортовым оборудованием СНС принимается информация 6 и более спутников, то RAIM после исключения из обработки одного спутника и подключения другого продолжает работать и контролировать надежность навигационных определений.
При недостаточном количестве наблюдаемых спутников процедуры RAIM не обеспечивают контроля 100% работоспособности навигационных спутников, но его обеспечивает дополнение AAIM.
Автономный контроль целостности на борту ВС (AAIM). Альтернативным способом контроля достоверности информации, получаемой от СНС, является сравнение этой информации с навигационной информацией, получаемой от других навигационных систем, таких как ИНС, LORAN-C, DME/DME. Такой способ реализован в аппаратуре подкласса В3, В4, С3, С4 и называется “эквивалент RAIM” или AAIM. Этот способ имеет только одно преимущество по сравнению с RAIM – нет необходимости обрабатывать сигналы от одного дополнительного спутника, что позволяет продолжать навигационные определения с гарантией их достоверности при видимости только 4-х спутников.
Использование информации о барометрической высоте при стыковке оборудования СНС с датчиком высоты производится в целях:
– “согласования” навигационных определений, что существенно ускоряет процедуры математической фильтрации;
– “поддержки” RAIM, когда барометрическая высота используется как сфера положения только для алгоритма RAIM и только в тех случаях, когда нет возможности осуществить RAIM по пятому спутнику (т.е. обрабатываются сигналы только от 4-х спутников);
– “поддержки” навигационных определений, когда барометрическая высота используется как сфера положения в режиме “Approach” (при вводе давления QNH) и при условии, что видимых спутников не хватает для работы оборудования в режиме “3D”, т.е. при видимости 3-х спутников. При этом, как только в обработку включается 4-й спутник, навигационные определения (B, L, H, UTC, W) производятся по этим 4-м спутникам, а барометрическая высота поддерживает RAIM и выполняет функцию сглаживания.
Стыковка оборудования СНС с высотомером носит рекомендательный характер при использовании СНС как дополнительного навигационного средства. Но с переходом СНС в статус основного и самодостаточного средства навигации такая стыковка является обязательной в целях снижения вероятности прерывания RAIM.
Соблюдение требований TSO C129 является обязательным для бортового оборудования СНС, устанавливаемого на воздушных судах, выполняющих полеты по ППП
Существует большое количество модификаций переносных ПИ СНС, которые применяются для полетов по ПВП. Как правило, переносные ПИ СНС не сертифицированы по TSO C129. Каких-либо требований к не сертифицированной аппаратуре не предъявляется, т.к. ее использование ограничено строгим выполнением установленных правил и процедур ПВП. Приемоиндикаторы СНС, используемые для полетов по ПВП, являются вспомогательным средством навигации.
Бытовые ПИ СНС не предназначены для целей воздушной навигации и в этой связи стоит предостеречь начинающих летать пилотов от использования их во время полета.