Использование результатов космической деятельности в транспортной инфраструктуре субъектов Федерации

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

 

 

 

 

 

 

А.И. Николаенко, А.А. Александров, А.С. Ветрова, В.Ю. Долженков, Н.Ю. Михайлова

 

Использование результатов космической деятельности в транспортной инфраструктуре субъектов Федерации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2016

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список сокращений

БШВ - бортовая шкала времени

ВТ - сигнал высокой точности

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система

ЕКА - Европейским космическим агентством

ЕС - Европейское сообщество

КА – космический аппарат

МО РФ – министерство обороны Российской Федерации

НАП - навигационная аппаратура потребителя

НКА - навигационный космический аппарат

НКУ – наземный комплекс управления

ИСЗ - навигационные искусственные спутники Земли

РП – распоряжение президента

СЕВ - служба единого времени

СРНС - спутниковых радионавигационных системах

СТ - сигнал стандартной точности

ЭИ -  эфемеридную информацию

EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay System

GNSS - Global Navigation Satellite System

GPS - Global Positioning System

NAVSTAR GPS - NAVigation Satellite Timing And Ranging

SA - Selective Availability

UTC - Coordinated Universal Time

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения). Появление на мировом рынке услуг, предоставляемых спутниковыми навигационными системами, обеспечило массовое внедрение космических технологий во все области хозяйственной деятельности. В 1998 году Правительства России и США заявили о предоставлении этих услуг международному сообществу на безвозмездной основе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GPS

Первые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) разрабатывались исключительно для военных целей. Глобальная навигационная система GPS предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира.

Наземные навигационные системы Loran-C и Omega и спутниковая система TRANSIT не соответствовали новым требованиям Министерства обороны США. В 1973 году началась разработка GPS-системы для обеспечения новых потребностей вооружённых сил.

Наземные системы

В наземных радионавигационных системах радиосигналы излучаются стационарными наземными радиомаяками, координаты местоположения которых известны для потребителей. В спутниковых радионавигационных системах (СРНС) применяются космические радиомаяки (навигационные искусственные спутники Земли - ИСЗ), и навигационные радиосигналы содержат эфемеридную информацию (ЭИ) о параметрах движения навигационных ИСЗ. В 60-е годы ХХ века были созданы и введены в эксплуатацию СРНС первого поколения - система TRANSIT (США) и система ЦИКАДА (СССР). В СРНС первого поколения орбитальная группировка содержит пять-шесть низкоорбитальных навигационных ИСЗ на круговых орбитах с высотой около 1 000 км над поверхностью Земли. Навигационная аппаратура потребителя (НАП) на подвижном объекте принимает навигационные радиосигналы от радиовидимого навигационного ИСЗ в течение сеанса навигации продолжительностью 5...15 мин и проводит измерения приращения фазы несущего колебания принимаемого навигационного радиосигнала либо на коротких (2 с) интервалах времени (допплеровская навигация), либо на длинных (интегрально-допплеровская навигация). Измерения приращения фазы эквивалентны измерениям приращения дальности от объекта до навигационного ИСЗ на заданных интервалах времени. НАП на основе ЭИ, содержащейся в принимаемом навигационном радиосигнале, и результатов измерения приращений дальности до навигационного ИСЗ определяет (уточняет) две горизонтальные координаты объекта на поверхности земного эллипсоида.

Низкоорбитальные СРНС первого поколения обладали существенными недостатками:

• НАП в сеансе навигации определяет только горизонтальные координаты подвижного объекта без определения высоты местоположения объекта;
• сравнительно низкая точность определения горизонтальных координат подвижного объекта (70...100 м) из-за погрешностей учета собственного движения подвижного объекта;
• длительные перерывы между сеансами навигации до 0,5 ч в приполярных районах и до 2 ч в экваториальных районах.

 

Основные навигационные системы

1. GPS

Потребность в оперативной высокоточной навигации сухопутных, морских, воздушных и низкоорбитальных космических объектов обусловили создание в 80-90-е годы 20 века среднеорбитальных СРНС второго поколения - системы NAVSTAR (GPS) в США и системы ГЛОНАСС в России. Принципы построения СРНС NAVSTAR и ГЛОНАСС в общих чертах идентичны, но отличаются техническим выполнением подсистем.

Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System - навигационная система определения времени и дальности). Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей.

Первая штатная орбитальная группировка системы состояла из 24 навигационных спутников и разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г. В 1995 г. GPS-система была введена в эксплуатацию. В настоящее время она эксплуатируется и обслуживается Министерством обороны США. С 1 мая 2000 г. администраций США был отменен режим селективного доступа (SA - Selective Availability), и теперь каждый любительский GPS-терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (а не несколько десятков метров, как раньше).

В состав GPS-системы входят 3 основных сегмента:

1. Космический сегмент состоит из 28 автономных спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20 350 км (для полнофункциональной работы системы достаточно 24 спутников). Орбиты спутников просчитаны таким образом, чтобы в любое время, в любой точке на Земле, были видны, по крайней мере, четыре спутника. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, имея период обращения 12 ч 00 мин. Каждый спутник весит более 1 500 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика – не более 50 Вт. Каждый спутник излучает на двух частотах специальный навигационный сигнал, в котором зашифровано два вида кода L1 и L2. Один из них доступен только пользователям военных и федеральных служб США. Кроме этих двух сигналов, спутник излучает и третий, информирующий пользователя о дополнительных параметрах (состоянии спутника, его работоспособности и др.). Гражданские GPS-приемники используют частоту L1, равную 1 575,42 МГц. Спутники располагаются на круговых синхронных орбитах в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением ~55̊ между 60̊ северной и южной широты. Такое положение обеспечивает повсеместный прием сигнала в любое время хотя бы от нескольких спутников. Работа GPS доступна даже на полюсах. Смещение орбиты спутников относительно полюсов оказывает незначительное влияние на геометрию и точность навигации.

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Ориентировочный срок службы спутника примерно 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.

2. Наземный сегмент состоит из наземных станций слежения (5 станций, находящихся в тропических широтах), с помощью которых 1-2 раза в сутки вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется собственное время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры и др.
3. Пользовательский сегмент – это GPS-приемники. Они производятся и как самостоятельные приборы (переносные или стационарные), и как платы для подключения к компьютерам различного вида и другим аппаратам.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) - это российская система. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени.

2. ГЛОНАСС

Является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Космические войска Министерства обороны Российской Федерации (МО РФ). Первый запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос-1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента РФ №658-рп с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ от 7 марта 1995 г. №237 были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей. Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц).

Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС, возможность определения следующих параметров:

• горизонтальных координат с точностью 50...70 м (вероятность 99,7 %);
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7 %);
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7 %);
• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

Точность определения координат можно значительно повысить  путем использования дифференциального метода навигации и/или дополнительных специальных методов измерений.

Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения. Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от четырех спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС-приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кепплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры.

Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

Система ГЛОНАСС включает в себя следующие компоненты:

1. Орбитальная структура спутников ГЛОНАСС (космический сегмент);

Полная орбитальная структура системы ГЛОНАСС состоит из 24 штатных спутников, равномерно размещенных в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120̊ . Высота орбиты – 19 100 км (18 840...19 440 км). Наклонение орбиты – 64,8±0,30̊. Номинальный период обращения НКА равен 11 ч 15 мин 44 с. Такая конфигурация орбитальной структуры позволяет обеспечивать глобальную и непрерывную зону действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.