Спутниковые навигационные системы

ФГБОУ ВПО «Государственный Аграрный Университет Северного Зауралья»

АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА земельного кадастра.

 

 

 

 

 

Реферат на тему: спутниковые навигационные системы.

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: студент гр.

                                                       Проверил:.

 

 

 

Тюмень,2015.

 

История Спутниковой Навигации.

Спутниковая система навигации – система позволяющая определять местоположение в любом месте Земли, почти в любую погоду и в пространстве космоса возле планеты может определять расположение и скорость объектов.

В 50-е годы родилась идея создания навигации через спутник. В то время, когда Советский Союз запустил свой первый искусственный спутник, ученые из Америки наблюдают сигнал, который исходил от спутника СССР, обнаружили, что из-за эффекта Доплера увеличивается частота принимаемого сигнала, когда приближается спутник и обратное при его отдалении.

Вся суть открытия была в том, что при точных координатах Земли становиться реальным измерить скорость и положение спутника, как и при точных координатах спутника, определить свою скорость и координаты.

Но все же реализовать эту идею удалось только через 20 лет. Программа DNSS была в 1973 году, и после она переименовалась в Navstar-GPS, и только потом в GPS. В 14 июля 1974 году был выведен самый первый тестовый спутник. Для полного покрытия Земли, необходимо было 24 спутника, последний из них был выведен в 1993 году. Поэтому GPS стало на вооружение, так как стало возможным с его использованием точно наводить ракеты как на неподвижные, а вскоре, так и на подвижные цели на земле и в воздухе.

Изначально GPS разрабатывали как чисто военный проект, но после того как самолет Авиалиний из Кореи был сбит в пространстве Советского Союза из-за того, что экипаж дезориентировался в пространстве, Рональд Рейган – президент Соединенных Штатов Америки дал разрешение на частичное использование системы GPS для гражданских нужд, с целью избежание подобных трагедий в будущем.

Точность определения была изменена при помощи специального алгоритма, что бы избежать применение системы в военных целях. Но вскоре появляется информация о том, что некие компании произвели расшифровку алгоритма уменьшения точности на частоте L1 и с большой пользой для своих нужд используют. Но в 2000 году публично опроверг данную информацию президент Соединенных Штатов Америки Билл Клинтон.

Спутниковая система ГЛОНАСС.

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Со¬ветском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Зем¬ли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника. Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструк¬торским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, по¬лучившей в дальнейшем название "Цикада". В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поко¬ления "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распреде¬лением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в сред¬нем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности нави¬гационного сеанса до 5 ... 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погреш-ность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладыва-ются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенст¬вованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной ап¬паратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопро¬сам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала. Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн".Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-ка¬надской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней. Исходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиовидимость потребителей, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутников, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и к уменьшению необходимого количества спутников в системе). Для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников, их количество в системе должно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекуд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10 ... 15 м. Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времен потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1•1013 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1×1014, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3 ... 5 нс.

В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго поколе¬ния — ОР5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутни¬ковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993 г.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. основными направлениями дальнейших работ являются:

• модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутника ГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять лет«и более вместо трех в настоящее время) и более высокими техническими характери¬стиками, что позволит повысить надежность и точность системы в целом;

• внедрение технологии спутниковой навигации в отечественную эконо-мику, науку и технику, а также создание нового поколения навигационной аппаратуры потребителей, станций дифференциальных поправок и контроля целостности;

• разработка и реализация концепции российской широкозонной дифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры Военно-космических сил ее взаимодействия с ведомственными региональными и локальными дифференциальными подсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;

• развитие сотрудничества с различными международными и зарубеж-ными организациями и фирмами в области расширения использования возможностей навигационной системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей;

• решение вопросов, связанных с использованием совместных навигационных полей систем ГЛОНАСС и GPS в интересах широкого круга потребителей мирового сообщества: поиск единых подходов к предоставлен услуг мировому сообществу со стороны космических навигационных систем, согласование опорных систем координат и системных шкал времени; выработка мер по недопущению использования возможностей космических навигационных систем в интересах террористических режимов и группировок.

Работы в указанных направлениях ведутся в соответствии с требованиями, выдвигаемыми различными потребителями (воздушными, морскими речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими, землеустроительными и другими службами).

         Отечественная  сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАви-гационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения вектора скорости дви-жения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

• подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;

• подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов кон-троля и управления;

• аппаратуры потребителей (АП).

Навигационные определения в ГЛОНАСС осуществляются на основе опросных измерений в аппаратуре потребителей псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех спутников (или трех спутников при использовании дополнительной ин-формации) ГЛОНАСС, а также с учетом принятыx навигационных сообщений этих спутников. В навигационных сообщениях, передаваемых с помощью спутниковых ра-диосигналов, содержится информация о различных параметрах, в том числе и необхо-димые сведения о положении и движении спутников в соответствующие моменты времени. В результате обработки этих данных в АП ГЛОНАСС обычно определяются три (две) координаты потребителя, величина и направление вектора его земной (путевой) скорости, текущее время (местное или в шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) или, по другому, UТC(ГЭВЧ) (ГЭВЧ — Государственный эталон времени и частоты). Основные характеристики СРНС ГЛОНАСС приведены в табл. 1 — 2, где для сравнения приведены сведения об американской срсдневысотной СРНС GPS. В табл. 1 приведены общесистемные характеристики СРНС ГЛОНАСС. В табл. 2 приведены как стандартные значения характеристик СРНС, так и их оценки на основе данных, полученных в 1993—1995 гг. Последние показаны в скобках, причем для С/А-кода, кода стандартной точности) значения приводятся для вариантов работы с А/без SA (SA — Selective Availability — селективный доступ) ).   Наземный сегмент системы ГЛОНАСС — подсистема контроля и упрощения (ПКУ), предназначена для контроля правильности функционирования правления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС); система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура контроля поля (АКП).

Наземный сегмент выполняет следующие функции:

• проведение траекторных измерений для определения и прогнозировании непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

• временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизации спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы еди-ного времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;

• формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), со-держащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой  шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;

• передача (закладка) массива служебной информации в память ЭВМ каждого спут-ника и контроль за его прохождением;

• контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния;

• контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ;

• управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;

• определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по от-ношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами ПКУ.

В автоматизированном режиме решаются практически все основные задачи управ-ления НС и контроля навигационного поля.

     Центр управления  системой соединен каналами автоматизированной и неав-томатизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании принятого для ГЛОНАСС ежесуточною режима управления спутниками в рамках технологиче-ского цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает данные для прогно-за эфемерид и частотно-временных оправок, осуществляет с помощью, так называе-мого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик си-стемы, анализ баллистической и структуры и расчет исходных данных для планиро-вания работы элементов ПКУ.

Информацию, необходимую для запуска спутников, расчета параметров орбитального движения, управления ими в полете, ЦУС получает от системы единого времени и эталонных частот, системы определения параметров вращения Земли, системы мониторинга гелио- и геофизизической обстановки.