Евгений Мосин, Сергей Байбаков, Андрей Карасев
Спутниковая навигация является сегодня одной из наиболее новых и быстро развивающихся областей прикладной космонавтики. она решает широкий круг задач науки, техники и военного дела, связанных с использованием координатной информации.
Тяжелое это дело - пробираться чужим угрюмым лесом, выбирая направление только по солнцу, отыскивая путь к реке, которая должна быть где-то в этом направлении. Не раз покажется, что движешься ты уже назад... И все же повесть заканчивается благополучно. Солнце солнцем, Гайдар Гайдаром, а древняя задача ориентации и выбора направления движения была и остается актуальной для путешествий, строительства, геологии, морского флота, авиации и т. д.
Несмотря на многовековой опыт мореходов и путешественников в определении географических координат, на успехи в построении все более совершенных и надежных навигационных приборов и соответствующие программные средства, лишь в самые последние годы появились технологии, принципиально меняющие ситуацию в этой области.
И вот эта неувядаемая проблема наконец-то получила достаточно надежное и изящное решение. Оно пришло “из космоса” и, несмотря на простоту геометрических соображений, положенных в основу определения координат, для практической реализации потребовало привлечения самых современных достижений микроэлектроники, радиотехники, передачи данных, современных методов обработки измерений для того, чтобы погрешности были минимальными. Используется метод радиотриангуляции по космическим спутникам, играющим роль опорных точек, координаты которых известны.
Спутниковые системы радионавигации Navstar и “Глонасс”
Новые системы спутниковой радионавигации (ССРН), благодаря высочайшей точности определения скорости и координат подвижных объектов, превышающей точность других навигационных систем, глобальности действия, устойчивости к различного рода помехам, в том числе естественным, сегодня являются одними из самых перспективных решений в этой области.
По оценкам зарубежных экспертов, к 2000 г. ССРН станут основной навигационной системой: ожидается, что к концу тысячелетия во всем мире будет более миллиона пользователей ССРН (300 тыс. в морском судовождении, 100 тыс. в авиации, 600 тыс. в наземных подвижных объектах, прежде всего в автомобильном транспорте, и 90 тыс. в военной технике).
Спутниковые системы радионавигации второго поколения GPS (Global Positioning System) - Navstar (США) и “Глонасс” (глобальная навигационная спутниковая система, Россия), развернутые к настоящему времени, в отличие от навигационных спутниковых систем первого поколения Tranzit (США) и “Цикада” (СССР) обеспечивают повышенную точность определения положения пользователя в пространстве (до единиц метров) и скорости (до 5 - 7 см/с), причем в любой точке земного шара, в любой момент времени и в любую погоду.
Здесь используются наиболее современные технологии, последние достижения в электронике и обработке сигналов, что позволяет принимать слабые сигналы от спутников на малоразмерные антенны. В результате стало возможно изготавливать небольшие персональные приемники. Самые малогабаритные из них весят 265 г и имеют размеры примерно 155x50x30 мм.
Надо отметить и такой немаловажный фактор: потребитель за пользование системой не платит. Кстати, если говорить о затратах, то проект Navstar был одним из самых дорогостоящих в истории глобальным проектом: его общая стоимость составила около 12 млрд. долл.
Спутники (в каждой системе их предусмотрено 24) по сути являются искусственными радиомаяками в космическом пространстве на высотах порядка 20 000 км с периодом обращения примерно двенадцать часов. Космические аппараты (КА) системы Navstar размещены в шести орбитальных плоскостях - по четыре КА в каждой плоскости, а КА системы “Глонасс” (первые спутники были выведены на орбиту в октябре 1982 г.) - по шесть штук в трех плоскостях (рис. 1).
Рис. 1. Орбитальное построение спутниковой навигационной системы “Глонасс”
Такая структура орбитального построения группировки КА обеспечила выполнение важного условия: в любой момент времени в любой точке Земли можно одновременно принимать сигналы не менее чем от четырех навигационных спутников (рис. 2 и 3). Алгоритм выбора, оптимальный с точки зрения максимальной точности местоопределения потребителя, четверки спутников из всех видимых в данный момент времени (число таковых может быть и восемь) основан на том, чтобы объем тетраэдра, построенного на линиях визирования от потребителя к КА, был максимальным.
Рис. 2. Геометрия наблюдения потребителем навигационных КА
Ввиду сходства состава технических средств и принципов работы американской и российской систем спутниковой навигации подробнее остановимся на системе “Глонасс”, тем более что по своим характеристикам она не только не уступает Navstar, но позволяет более точно определять местоположение объектов в северных широтах и не имеет режима загрубления точности для гражданских пользователей.
Рис. 3. Три измерения дальности порождают две возможные
точки местоположения на пересечении трех сфер
Состав системы “Глонасс”
Система “Глонасс” состоит из трех подсистем: подсистемы космических аппаратов (ПКА), подсистемы контроля и управления (ПКУ) и подсистемы навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Первая подсистема включает в себя 24 спутника, находящихся на круговых орбитах высотой 19 100 км с наклонением орбиты (углом, образуемым плоскостью орбиты и плоскостью экватора) 64,8° и периодом обращения 11 ч 15 мин.
Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой из них размещается восемь спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме того, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такое орбитальное построение (оно представлено на рис. 1) позволяет создавать сплошное навигационное поле над поверхностью Земли до высоты 2000 км, находясь внутри которого потребитель в любой момент времени может принять радионавигационные сигналы не менее чем от четырех спутников.
ПКУ состоит из центра управления системой “Глонасс” и сети станций измерения, управления и контроля, расположенных по всей территории России. В задачи подсистемы входит контроль правильности функционирования КА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.
И наконец, подсистема НАП состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников “Глонасс” и вычисления координат, скорости и времени.
В настоящее время космическая группировка и наземный комплекс управления системы “Глонасс” уже развернуты, система функционирует, обеспечивая заданные характеристики определения местоположения.
На 10-й Аэронавигационной конференции Международной организации гражданской авиации (ICAO), состоявшейся в 1991 г., Правительство СССР предложило глобальную навигационную спутниковую систему “Глонасс” мировому авиационному сообществу для безвозмездного использования. При этом гарантировалось, что система будет функционировать не менее 15 лет с момента ее полного развертывания в 1996 г.
Постановлением Правительства Российской Федерации № 237 от 7 марта 1996 г. были подтверждены ранее данные обязательства о полной доступности сигналов стандартной точности системы “Глонасс” для всех потребителей в соответствии с рекомендациями ICAO и Международной морской организации (IMO).
В целях представления “Глонасс” в качестве элемента будущей глобальной навигационной спутниковой системы (Global Navigation Satellite System - GNSS) разработан и представлен в ICAO и IMO ряд документов. В октябре 1995 г. на сессии ICO был рассмотрен “Интерфейсный контрольный документ. Глобальная навигационная спутниковая система "Глонасс"”. Этим документом определяется интерфейс между подсистемой космических аппаратов “Глонасс” и навигационной аппаратурой потребителей, дающий широкие возможности по разработке НАП “Глонасс” не только в России, но и за рубежом.
Принципы действия системы “Глонасс”
Приемная аппаратура определяет свои координаты, скорость движения и точное время с помощью радиосигналов, которые непрерывно излучаются навигационными спутниками. Определение географических координат по спутниковым сигналам - это адаптация на уровне самых современных мировых научных достижений так называемых методов триангуляции по известным ориентирам. В рассматриваемых системах такими известными ориентирами являюытся сами спутники. Измеряя время прохождения сигнала от спутника до приемника, последний вычисляет дальность от спутника до приемника по простой формуле:
дальность = скорость распространения радиосигнала x время сигнала в пути
Приемник автоматически принимает сигналы не менее чем от четырех спутников и измеряет дальность до этих спутников и скорости ее изменения. Одновременно с проведением измерений из сигналов спутников выделяются и обрабатываются навигационные сообщения.
В результате совместной обработки в процессоре приемника результатов всех измерений и навигационных сообщений вычисляются три составляющих координаты потребителя, три составляющих скорости и точное время.
В зависимости от типа приемника задача определения местонахождения решается в течение 3 - 6 минут с момента первого включения приемной аппаратуры. Последующие координатно-временные определения выполняются с заданной периодичностью: от 1 сек и более. Результаты могут выводиться на дисплей либо в виде числовых значений координат, скорости и времени, либо динамическим графическим отображением маршрута движения объекта на электронной карте. Возможно представление полученных значений в различных системах координат.
Если потребителю требуется определить только плоскостные координаты (например, на поверхности моря), то НАП способна обрабатывать сигналы лишь от трех спутников, выбирая из имеющихся в “поле зрения” те, которые в совокупности обладают лучшим геометрическим фактором. А если потребитель точно знает свои координаты, то для синхронизации шкал времени достаточно приема радиосигнала лишь от одного спутника “Глонасс”.
Продолжение в следующем номере
