Спутниковая радионавигационная система Глонасс

Создание такой системы  позволит обеспечить автоматизированный сбор информации о дислокации подвижных  объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости  от их местоположения на Земном шаре, т.е. в глобальном режиме. При этом средства системы будут автоматически  вычислять географические координаты местоположения объектов и направлять их в соответствующие диспетчерские пункты пользователей. Информация может быть также запрошена с объекта по инициативе диспетчера из диспетчерского пункта и имеется возможность передать на объект необходимую информацию.

Средства системы позволяют  не только решать коммерческие цели управления, но и обеспечат повышение безопасности движения объектов и будут способствовать охране человеческой жизни. Данные о  дислокации аварийных объектов могут быть переданы в соответствующие поисково-спасательные службы.

Изучения, проведенные в  России показали, что имеются следующие основные категории потенциальных пользователей, заинтересованные в получении оперативной информации с подвижных и стационарных объектов:

1. Администрации, эксплуатирующие  автомобильный транспорт.

2. Организации, эксплуатирующие  подвижной железнодорожный состав  и специальные средства.

3. Организации, эксплуатирующие  подвижные автомобильные объекты.

4. Научные организации,  проводящие с помощью подвижных  технических средств изучение  окружающего пространства.

5. Организации, эксплуатирующие  магистральные трубопроводы и  иные удаленные объекты.

6. Предприятия топливно-энергетического  комплекса.

7. Сельскохозяйственные предприятия.

8. Коммерческие структуры.

Анализ требований потенциальных  пользователей к системам сбора  оперативной информации позволил выявить  следующее:

1. Необходимость автоматического  определения географического местоположения  объекта, не требующего вмешательства  оператора в работу оконечного  устройства. При этом требования  к точности определения местоположения  варьируются от нескольких метров  до десятков километров. Некоторые  категории объектов движутся  по строго определенным маршрутам  (поезда, автомобили), в то время, как другие имеют большую свободу перемещений.

2. Требования к оперативности  доставки информации от оконечного  устройства до пункта сбора  данных пользователя изменяются  от нескольких минут до нескольких  часов.

3. Количество определений  - от нескольких раз в месяц  до нескольких раз в час.

4. Возможность передачи  дополнительной информации с  подвижного объекта и на объект. При этом выявлен достаточно  широкий диапазон информации, подлежащей  передачи.

5. Наличие простых и  недорого стоящих оконечных устройств  пользователей, которые при необходимости  могли бы работать от автономных  источников питания.

В использовании системы  слежения за местоположением подвижных  объектов проявили заинтересованность ряд ведомств и организаций (МВД, МПС и др.). Отдельно стоит отметить заинтересованность в приобретении средств мониторинга автотранспортными  предприятиями.

Система должна обеспечивать возможность слежения за передвижением  ценных грузов, легкового автотранспорта и других подвижных объектов в  реальном масштабе времени с точностью  определения местоположения до 50 метров, а также получения от объектов аварийной информации.

В состав системы должны входить  главный и региональные диспетчерские  центры, в которые информация от объектов должна поступать одновременно.

Должна быть предусмотрена  возможность запросов о местоположении и состоянии объектов из диспетчерских  центров, а также передача на них  информации.

Тип передаваемой информации - цифровой.

Терминалы, устанавливаемые  на подвижные объекты, должны быть устойчивы  к вибрационным воздействиям, иметь  малые габариты, вес (не более 1 - 1,5 кг) и энергопотребление. Электропитание должно осуществляться от автономного  источника.

Необходимо предусмотреть  возможность автоматического срабатывания терминалов в аварийных ситуациях.

Терминалы должны обеспечивать бесперебойную работу в диапазоне  температур от - 50 до +50 °С при влажности воздуха при 30 °С - 99%.

Антенны терминалов должны иметь  малые габариты и обеспечивать бесперебойную  связь при скорости ветра до 30 м/сек.

 

 

 

4. Спутниковая радионавигационная система Глонасс

 

4.1 Общие  сведения о системе

 

Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения, вектора скорости движения, 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 контроля и управления;

аппаратуры потребителей (АП).

Считается, что возможности  существенного повышения точности навигационных определений связаны  с созданием глобальной системы  отсчета, использующей самоопределяющиеся навигационно-геодезические спутники без привлечения измерений с  поверхности Земли.

Система ГЛОНАСС с полностью  развернутой группировкой НС характеризуется  вероятностью обеспечения навигационных  определений не хуже 0,947 в непрерывном  навигационном поле. Точностные характеристики определения плановых координат, высоты и времени равны соответственно 30 м, 30 м и 1 мкс, а доступность системы - 0,98).

Информация, передаваемая потребителям ГЛОНАСС в составе служебной  информации конкретного НС, содержит координаты фазового центра передающей антенны данного НС в геоцентрической  системе координат. Эта система  координат также как и принятая в СРНС СРS система координат WGS-84 относится к декартовым системам типа ЕСЕР (Еаrth-сеntеred Еаrth-fixed, т.е. начало координат расположено в центре масс Земли и направления осей связаны с Землей). До 1993 г. в СРНС ГЛОНАСС использовалась система координат СГС-85.

Частотно-временное обеспечение  реализуется системой синхронизации  ГЛОНАСС, которая обеспечивает формирование единой системной шкалы времени, синхронизацию БШВ (бортовых шкал времени) каждого с СШВ. расчет частотно-временных  поправок (ЧВП). определение расхождения СШВ относительно шкалы Государственного эталона координированного всемирного времени UТС (SU), расчет поправок к СШВ, закладку поправок на борт НС (дважды в сутки) для передачи их потребителям в составе навигационного сообщения.

Частотно-временные поправки рассчитывают на каждом витке НС в  виде двух параметров линейной аппроксимации  расхождения БШВ относительно НС на тридцати - (шестидесяти) минутном интервале  и закладываются дважды в сутки (ориентировочно каждые 12 ч) на борт каждого  НС.

Шкала времени каждого  спутника ГЛОНАСС может эпизодически подвергаться коррекции с целью  того, чтобы отличие этой шкалы  от шкалы времени центрального хронизатора не превышало + 1 нс. В этом случае и течение времени, необходимого наземному комплексу для проведения сверки и формирования поправок, в навигационном сообщении передаются признаки, запрещающие использование лого спутника для целей навигации.

Шкала системного времени  в ГЛОНАСС корректируется одновременно с коррекциями на целое число  секунд шкал UТС (SU), проводимыми Службой Всемирного времени. Коррекции шкал UTС необходимы для их согласования с астрономической шкалой UT1 всемирного времени. Указанная коррекция СШВ ГЛОНАСС осуществляется в 00 ч 00 мин 00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 декабря на 1 января. О планируемом проведении секундной коррекции СШВ ГЛОНАСС сообщается заблаговременно.

Наземный сегмент системы  ГЛОНАСС - подсистема контроля и управления, предназначена для контроля правильности функционирования, управления и информационного  обеспечения сети спутников системы  ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных  стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС; центральный синхронизатор; контрольные станции; система контроля фаз; квантооптические станции; аппаратура контроля поля.

Наземный сегмент выполняет  следующие функции:

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

временные измерения для  определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с  системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизация спутниковой шкалы  времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого  времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;

формирование массива  служебной информации (навигационных  сообщений), содержащего 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 спутника 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 отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

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

Центр управления системой соединен каналами автоматизированной и неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует  и координирует работу всех средств  ПКУ на основании принятого для  ГЛОНАСС ежесуточного режима управления спутниками в рамках технологического цикла управления. При этом ЦУС  собирает и обрабатывает данные для  прогноза эфемерид и частотно-временных  поправок, осуществляет с помощью, так  называемого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик  системы, анализ баллистической структуры  и расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

Контрольные станции (станции  управления, измерения и контроля или наземные измерительные пункты) по принятой схеме радиоконтроля орбит осуществляют сеансы траекторных и временных измерений, необходимых для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем - спутников. С их помощью происходит закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и оперативных команд для управления бортовыми системами

Траекторные измерения осуществляются с помощью радиолокационных станций, которые определяют запросным способом дальность до спутников и радиальную скорость. Дальномерный канал характеризуется  максимальной ошибкой около 2...3 м. Процесс  измерения дальности до спутника совмещают по времени с процессом  закладки массивов служебной информации, временных программ и команд управления, со съемом телеметрических данных со спутника.

В настоящее время для  обеспечения работ ГЛОНАСС могут  использоваться КС, рассредоточенные по всей территории России. Часть КС и других элементов наземного  сегмента ГЛОНАСС осталась вне территории России.

В случае выхода из строя  одной из станций возможна ее равноценная  замена другой, так как сеть КС обладает достаточной избыточностью и  в наихудшей ситуации работу системы  может обеспечивать ЦУС и одна станция, однако интенсивность ее работы будет очень высокой

В настоящее время в  системе ГЛОНАСС используется запросная  технология эфемеридного обеспечения, когда исходной информацией для расчета эфемерид служат данные измеренных текущих параметров спутников, поступающие в ЦУС от контрольных станций по программам межмашинного обмена через вычислительную сеть. Ежесуточно осуществляется 10...12 сеансов передачи информации по каждому спутнику. При решении задач определения и прогнозирования движения спутника эфемериды рассчитывают путем численного интегрирования дифференциальных уравнений движения комбинированным методом Рунге - Кутта и Адамса в координатной системе, заданной средним экватором и равноденствием эпохи начала бесселева года (в 1975 г). В правых частях дифференциальных уравнений учитываются основные возмущающие силы. Гравитационное поле Земли представлено разложением в ряд по сферическим функциям до гармоник степени и порядка 8 включительно. При моделировании расчетных аналогов измерений учитываются уходы полюса и поправки ко времени за счет неравномерности вращения Земли.

При выводе спутника из системы  требование к точности нахождения параметров движения определяются исходя из необходимости  надежного вхождения в связь  со спутником. В этом случае параметры  движения спутника определяют на мерных интервалах длительностью не менее  четырех витков не реже одного раза в месяц. В состав уточняемых параметров при этом включаются только кинематические.

В соответствии с целевым  назначением система ГЛОНАСС  имеет в своем составе подсистему КА (навигационных спутников), которая  представляет собой орбитальную  группировку из 24 спутников. Спутники, излучая непрерывные радионавигационные сигналы, формируют в совокупности сплошное радионавигационное поле на поверхности Земли и в околоземном  пространстве, которое используется для навигационных определений  различными потребителями.