Спутниковые Навигационные Системы (Часть1)

 

1. Общие сведения о СНС

2. СНС ГЛОНАСС

3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO)

4. СНС КОМПАСС (KOMPASS)

 

1. Общие сведения о СНС

 

В данной статье будут рассмотрены основные характеристики и особенности трех спутниковых навигационных систем  (ГЛОНАСС,GALILEO, KOMPASS). Все три СНС  используются для определения местоположения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования.

Все СНС имеют три сегмента: сегмент управления (наземные станции), космический сегмент (спутники) и потребительский сегмент (навигационные приемники).

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от навигационного приемника (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с высокой точностью. Навигационное сообщение содержит альманах (неоперативная информация) и эфемерис (оперативная информация). Информация  о положении всех спутников содержится в альманахе.  Альманахом должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений.  Эфемерис  содержит информацию о соответствующем спутнике. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Есть три режима работы приемника: “горячий старт” (актуальность альманаха и эфемериса), “теплый” старт (актуальность альманаха) и “холодный” старт (первоначальное включение навигационного приемника или включение).  Зная расстояния до нескольких спутников системы и на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве. Это осуществляется с помощью системы уравнений псевдодальности.

Метод измерения расстояния от спутника навигационного приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн (скорость берется равной скорости света). Метод заключается в том, что каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени,  используя точно синхронизированные с системным временем атомные бортовые часы. После принятия этого сигнала навигационный приемник синхронизирует свои часы с системными часами. При следующем приеме сигналов вычисляется задержка между моментом передачи, информация о котором содержится в сигнале, и моментом приёма сигнала. Располагая этой информацией  определяется дальность в пределах кольца дальности. В связи с тем, что в любой момент времени видимы несколько спутников, спутник с наименьшей задержкой будет находиться в первом кольце дальности, а остальные спутники будут располагаться относительно первого. После определения дальности до всех спутников, выбора оптимального созвездия (близкое к тетраэдру)  и решения системы уравнений, навигационный приёмник вычисляет координаты приемника. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, за которое спутник переместился из одной с известными координатами до другой.

В реальности на точность работы системы оказывают влияние следующие факторы:

1) Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Эта проблема решается путем приема сигналов от нескольких спутников. Для определения местоположения на плоскости необходим прием сигналов от не менее чем от трех спутников, а для определения местоположения в пространстве необходим прием сигналов от не менее чем от четырех спутников

2) Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников. Эта проблема решается путем введения поправок в модель орбит;

3) Неоднородность атмосферы Земли, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

4) Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

5) Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

 

2. СНС ГЛОНАСС

СНС ГЛОНАСС – отечественная спутниковая система навигации. Началом считается запуск 4 октября 1957 года первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ).

СНС ГЛОНАСС была полностью развернута в 1995 году и включала в свой состав 24 спутника. Однако, к 2001 году число функционирующих спутников сократилось до 6. В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 — ПЗ-90.02. Затем в 2004 году были запущенны новые спутники ГЛОНАСС-М, которые транслировали два гражданских сигнала на частотах L1 и L2. Далее в 2007 году была проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, в результате чего увеличилась точность определения координат. Во 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления установили новую измерительную систему с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличилась точность расчёта эфемерид и ухода бортовых часов, что привело к повышению точности навигационных определений. 2 сентября 2010 года общее количество спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 — группировка была полностью развёрнута для полного покрытия Земли. В результате программы модернизации системы наземного комплекса управления 2011 стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2.5 раза, что составляет порядка 2.8 м для гражданских потребителей. В феврале 2011 года был запущен первый спутник ГЛОНАСС-К, в котором были использованы дополнительные сигналы в формате CDMA, а так же начал осваиваться диапазон L3.

Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19400 км с наклонением 64.8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах). Спутниковая группировка развёрнута в трёх орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316—500 Вт (25-27 дБ). Тип эфемерид – геоцентрические координаты и их производные.


Рис 1 Орбитальные плоскости СНС ГЛОНАСС

 

В СНС ГЛОНАСС изначально использовались диапазоны L1 и L2. В данных диапазонах используется частотное разделение каналов с прямым расширением спектра путем умножения на одну и ту же псевдослучайную последовательность, вид модуляции BPSK, число каналов 12 (число каналов меньше 24 из-за того что в любой момент времени в зоне видимости находятся только несколько спутников). Планируется в будущем в этих диапазонах использовать кодовое разделение каналов (несущие частоты точно еще не известны).

L1: f = f+ kfд1 , f0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц;

L2: f = f+ kfд1 , f0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц

 

 

Рис.2 Распределение частотных каналов

 


Рис. 3 Несущие частоты каналов

 

Навигационное сообщение СНС ГЛОНАСС включает в себя строки, кадры и суперкадры. В пределах сроки передается системная метка времени. Длительность строки 2 с. В кадре передается полный объем эфемериса и часть альманаха. Кадр состоит из 15 строк и имеет длительность 30 с. Суперкадр состоит из 5 кадров и имеет длительность 150 с. В суперкадре передается весь альманах.

 

В диапозоне L3  используются кодовое разделение каналов (CDMA). Несущая частота 1202.025 МГц. Вид модуляции QPSK.







Рис. 4 Распределение каналов

Суперкадр (длительностью 2 минут) состоит из 8 кадров (для 24 спутников ГЛОНАСС на первом этапе развития). В будущем планируется суперкадр из  10 кадров и будет иметь продолжительность 2,5 минуты для 30 спутников. Каждый кадр (ддлительностью 15 секунд) состоит из 5 строк ( длительностью 3 секунд). Каждый кадр имеет полный набор эфемерид для текущего спутника и часть системы альманаха для трех спутников. Полный альманах передается в одном суперкадре. Маркер времени находится в начале строки, и задается числом строки в текущий день по бортовой шкале времени шкале времени.

 

Рис.5 Структурная схема формирователя сигналов СНС ГЛОНАСС L1/L2 диапазона

 

Во всех трех диапазонах  ГЛОНАСС используется два вида дальномерных сигналов: стандартной точности и повышенной точности.

Параметры сигналов диапазонов L1 и L2:

1) Дальномерные сигналы стандартной точности имеют следующие параметры: длина кода 511, период повторения 1 мс, полоса сигнала 0.5 МГц;

2)Дальномерные сигналы повышенной  точности имеют следующие параметры: длина кода 511000, период повторения 1 с, полоса сигнала 1 МГц.

 

Параметры сигнала стандартной точности диапазона L3:

1) Псевдослучайный дальномерный код - усеченная последовательность Касами (в диапазонах L1 и L2 - М-последовательность);
2) Тактовая частота псевдослучайного дальномерного кода: 10,23 МГц (в диапазонах L1 и L2 - 0,511 МГц);
3) Длительность псевдослучайного дальномерного кода осталась той же: 1 мс, однако дальномерный код дополнительно модулируется 10-символьным кодом Хэмминга (его вид: "0000110101"). Длительность каждого символа кода Хэмминга: 1мс;
4) Сигналы разных спутников будут разделяться с помощью технологии CDMA (в диапазоных L1 и L2 используется частотное разделение FDMA);
5) Цифровая информация, передающаяся в составе излучаемого сигнала, кодируется с помощью сверточного кодера;
6) Изменена длительность строк, кадров и суперкадров навигационной информации.

Дальномерные сигналы повышенной точности используются авторизованными пользователями (например, ВС РФ). Эти сигналы передаются вместе с сигналами стандартной точности, но их параметры засекречены.

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 метров.

Для повышения точности системы ГЛОНАСС используются система дифпоправок и мониторинга за рубежом. Первая зарубежная станция была построена и успешно функционирует в Антарктиде на станции «Беллинсгаузен». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России, одну станцию в Антарктиде и одну в Бразилии. 

 

3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO)

СНС ГАЛИЛЕО - совместный проект спутниковой системы навигации Евросоюза и Европейского космического агенства.  Так  же в проекте участвуют Китай, Израиль, Южная Корея, Аргентина, Австралия, Бразилия, Чили, Индия, Малайзия.

Спутники «Галилео» находятся на орбите высотой 23 222 км, период обращения 14 ч 4 мин и 42 с. Спутники расположены в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечивает одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. Тип эфемерид – модифицированные кеплеровы элементы.


Рис. 6 Орбитальные плоскости СНС ГАЛИЛЕО

Данный проект состоял из четырех этапов:

1) 28 декабря 2005 года бал выведен на орбиту первый спутник GIOVE-A, задача которого состояла в тестировании дальномерных сигналов в нескольких диапазонах ;

2) 27 апреля 2008 года был запущен спутник GIOVE-B, задача которого состояла в тестировании аппаратуры. В нем использовался водородный эталон времени. Он передавал несколько модификаций дальномерных сигналов в диапазоне L1;

3) Запуск первой группы спутников из четырех спутников (по два спутника в октябре 2011 года и в октябре 2012) GALILEO IOV;

4) К 2018 году планируется формирование полной орбитальной группировки из 30 спутников

Частотные планы

В системе используется кодовое разделение каналов (CDMA) и передача в нескольких частотных диапазонах:

1) Диапазон L5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f0 = 1176.45 МГц );

2) Диапазон E5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f0 = 1207.14 МГц );

3) Диапазон E6 используется для передачи коммерческого сигнала (f0 = 1278.75 МГц );

4) Диапазон L1 используется для передачи гражданского  сигнала (f0 = 1575.42 МГц ); 

В диапазоне L1 передаются три сигнала: сигнал повышенной точности (параметры сигнала засекречены), сигнал стандартной точности и пилот-сигнал.

Параметры сигнала стандартной точности: длина кода 1023, длительность 4092 мкс, полоса сигнала 1 МГц.

Параметры сигнала повышенной точности: длина кода 2046, длительность 8184 мкс, полоса сигнала 2 МГц.

Точность определения местоположения составляет 5 м для сигналов стандартной точности

 

4. СНС КОМПАСС (KOMPASS)

СНС КОМПАСС (KOMPASS) – китайская спутниковая система навигации. Первоначальное название Бйдоу (BeiDou).

Данный проект состоял из трех этапов:

1) 2000—2003: Экспериментальная система Бэйдоу из трёх спутников;

2) к 2012 году: Региональная система для покрытия территории Китая и прилегающих территорий;

3) к 2020 году: Глобальная навигационная система («Бэйдоу-2»), которая будет состоять из 5 спутников на геостационарной орбите, 27 на орбитах средней высоты (21500 км над Землей) и три спутника на высоте 38300 км в наклонных орбитальных плоскостях на 55° к экватору Земли (один из трех спутников всегда находится над территорией Китая).


Рис. 7 Орбитальные плоскости СНС КОМПАСС

Первый спутник, «Бэйдоу-1А», был запущен 30 октября 2000 года. Второй, «Бэйдоу-1B», — 20 декабря 2000. Третий спутник, «Бэйдоу-1C», отправлен на орбиту 25 мая 2003 как подстраховочный. С этого момента система считается введенной в эксплуатацию. 27 февраля 2007 года был также запущен четвёртый спутник в рамках «Бэйдоу-1», называемый иногда «Бэйдоу-D», а иногда — «Бэйдоу-2А». Он выполняет функции подстраховки. В апреле 2007 успешно выведен на орбиту первый спутник группировки «Бэйдоу-2», названый «Компас-M1». Данный спутник является настроечным для частот Бэйдоу-2. Второй спутник, «Компас-G2», запущен 15 апреля 2009. Третий («Компас-G1») запущен на орбиту 17 января 2010. Четвёртый спутник запущен 2 июня 2010. 24 февраля 2011 было развернуто 6 действующих спутников. 4 спутника видны в Москве: COMPASS-G3, COMPASS-IGSO1, COMPASS-IGSO2 и COMPASS-M1. 27 декабря 2011 года «Бэйдоу» была запущена в тестовом режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов.  27 декабря 2012 система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников. 8 мая 2014 система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что её точность составляет менее 1 метра.

Параметры сигнала стандартной точности: длинна кода 2046, длительность 1 мс, полоса сигнала 2 МГц.

Параметры сигнала повышенной точности: длинна кода 10230, длительность 1 мс, полоса сигнала 10 МГц.

 В системе используется кодовое разделение каналов и передача в трех диапазонах:

1) Диапазон E2 используется для передачи сигналов стандартной точности(f0 = 1561.098 МГц );

2) Диапазон E5 используется для передачи сигналов стандартной точности (f0 = 1207.14 МГц );

3) Диапазон E6 используется для передачи сигналов повышенной точности (f= 1268.58 МГц ).

 

Навигационное сообщение NAV D1 (стандартной точности) передается в виде суперкадров длительностью 12 мин. Каждый суперкадр состоит из 24 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров длительностью 6 с. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадры с 1 по 3 используются для передачи эфемериса, подкадры 4 и 5 используются для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.

Навигационное сообщение NAV D2 (повышенной точности) передается в виде суперкадров длительностью 6 мин. Каждый суперкадр состоит из 120 кадров длительностью 3 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадр 1 используется для передачи эфемериса, а подкадр 5 используется для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.

Навигационное сообщения основном включает в себя: эфемериды спутника, сдвиг бортовой шкалы времени; параметры модели ионосферных задержек; информация о работоспособности  спутника; доплеровский сдвиг, информация о созвездии и так далее

 

 

Литература:

1) Бакке А.В. Курс лекций по ССПО;

2) http://gpsworld.com/gnss-system/glonass/innovation-glonass-11405?page_id=1

3) http://www2.unb.ca/gge/Resources/beidou_open_service_performance_standard_ver1.0.pdf

4) http://gnss-sdr.ru