Виды навигационных систем

Спутники выводятся  очень точно на свои орбиты в соответствии с генеральным планом развертывания системы и, поскольку на высоте 20000 километров атмосферное торможение отсутствует, остаются на них в течение длительного времени. Орбиты известны заранее, а каждый приемник содержит в памяти своего компьютера "альманах", т.е. своеобразный, постоянно обновляемый справочник, из которого видно, где будет находиться каждый спутник в любой момент времени. Движение спутников СНС постоянно контролируется с помощью наземных контрольных станций.

Обращаясь вокруг планеты один раз  за 12 часов, спутники СНС проходят над контрольными станциями дважды в сутки. Это дает возможность точно измерять их положение, высоту и скорость. Отклонения от теоретических орбит, которые обнаруживают контрольные станции, называются "ошибками эфемерид". Они обычно очень незначительны и вызваны такими явлениями, как гравитационные притяжения Луны и Солнца и солнечное световое давление на спутник. После того, как одна из станций слежения определила положение спутника и вычислила поправки к его орбите, эта обновленная информация передается обратно на спутник, заменяя собой в памяти его бортового компьютера прежнюю информацию. Все последующее время эти поправки вместе с дальномерными кодовыми сигналами будут непрерывно передаваться каждым спутником на Землю.

Таким образом, каждый спутник СНС  в непрерывном режиме передает не только свои индивидуальные дальномерные коды, но также и сообщения о  своем точно предвычисленном  положении на орбите, о движении остальных спутников СНС (альманах), о состоянии своих бортовых систем и многочисленную другую служебную информацию. Эти сообщения используются всеми видами приемников СНС.

Погрешности СНС определяются рядом  факторов. Наиболее существенные погрешности возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высотах от 50 до 1000 километров. Эти частицы заметным образом влияют на скорость распространения света и радиоволн. Существуют методы, которые можно использовать, чтобы сделать минимальными возникающие при этом ошибки. Применяемый в дорогих приемниках способ состоит в сравнении скоростей распространения двух разночастотных радиосигналов. В них большая часть погрешности от ионосферной задержки может быть устранена.

Влага в той или иной ее форме, практически постоянно находящаяся  в тропосфере, также вызывает задержки в распространении радиоволн, которые, однако, гораздо труднее выявить. Их суммарный вклад в погрешность  вычисления местоположения невелик.

Аналогично атомным часам на спутниках, приемники на Земле тоже иногда ошибаются. Компьютер приемника  может допустить ошибку, выполняя математическую операцию. Электрические  помехи могут привести к ошибочной  обработке псевдослучайных кодов. Обычно погрешности этого рода бывают или очень маленькими, или очень  большими. Другой тип погрешностей  - это "ошибки многолучевости". Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадут на антенну приемника.

Для достижения наибольшей точности в хорошем приемнике СНС определяется некоторый "геометрический фактор", названный "Geometric Dilution of Precision GDOP" (геометрический фактор понижения точности). В зависимости от взаимного расположения НС на небосводе геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут многократно увеличивать или уменьшать все неопределенности, т.е. погрешности местоопределения, о которых говорилось ранее.

 

GDOP²=PDOP²+TDOP²=HDOP²+VDOP²+TDOP²

где

• PDOP– position DOP;
• HDOP– horizontal DOP;
• VDOP– vertical DOP;
• TDOP– time DOP.

В зависимости от угла между  направлениями на спутники область  пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может быть или аккуратным небольшим  квадратиком, или большим вытянутым  четырехугольником, т.е. чем больше угол между направлениями на спутники, тем лучше измерения.

Исходя из этого,  приемники  снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные  положения всех доступных для  наблюдения спутников и выбирают из них наилучшим образом расположенные  четыре спутника, для которых протяженность "прямоугольника неопределенности" в текущий отрезок времени  минимальна. Более сложные приемники  вычисляют местоположение на основе измерений расстояний (дальностей) до всех спутников, находящихся в  поле зрения. При этом влияние геометрии  созвездия становится наименьшим.

Результирующая погрешность  СНС определяется совместным влиянием погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется  в зависимости от атмосферных  условий и качества оборудования. Кроме этого, точность GPS может быть целенаправленно снижена Министерством Обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/А ("Selective Availability"- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Если этот режим установлен, он создает наибольший компонент суммарной погрешности GPS [12].

 

Таблица 1.4.

Сводка погрешностей

Источники ошибок	[м]
Погрешности часов  НС	0.6
Эфемеридные погрешности	0.6
Погрешности приемника	1.2
Ионосферные и  тропосферные задержки	3.7
Погрешности от включения  режима S/A	7.6
Суммарная погрешность ( ) в зависимости от установки S/A	4.6-9.1
Для вычисления действительных погрешностей следует умножить приведенную  выше суммарную погрешность на GDOP. Величина GDOP при хороших условиях находится в диапазоне от 4 до 6. Таким образом, реальная погрешность, которую можно ожидать, составляет:
Типичная, при хорошем  приемнике	18-30
Наихудший случай	60
При включенном режиме S/A	105

 

Псевдослучайное кодирование дает нам способ очень точного распознавания очень слабого сигнала. Это означает, что нет необходимости снабжать спутники СНС мощными источниками энергии (при этом они и стоят меньше), и что приемники на Земле могут довольствоваться весьма скромными по габаритам антеннами. Таким образом:

• псевдослучайный код - это средство установления момента абсолютного совпадения сигналов спутника и опорных сигналов приемника в процессе измерения расстояния (дальности) до спутника.

• такое кодирование позволяет работать с сигналами очень низкой мощности и с антеннами малых размеров, а также допускает применение на всех спутниках GPS одних и тех же двух несущих частот.

• псевдослучайные коды дают возможность МО США управлять доступом к системе.

Дифференциальный  режим работы СНС позволяет получить существенное повышение точности работы системы:

• дифференциальные измерения в GPS могут быть гораздо более точными, чем обычные;
• опорная станция с известными координатами вычисляет поправки и передает в эфир комбинированные сообщения для коррекции спутниковых измерений;
• этими сообщениями может воспользоваться любое количество ведомых GPS приемников, для устранения практически всех ошибок в своих измерениях.

Наиболее приемлемой НАП СНС являются приемники параллельного (непрерывного) слежения. Приемники, которые отслеживают 4 или более спутников одновременно, могут выдавать мгновенные положение и скорость. Это очень ценно для применения на высокодинамичных объектах и при высокоточных измерениях. Эти устройства часто используются в геодезии и для научных целей. Они могут иметь от 4-х до 10...12 и даже до 24-х каналов слежения.

Кроме очевидного преимущества - непрерывного измерения координат местоположения и скорости, эти многоканальные приемники могут также упростить проблему с GDOP. Вместо того, чтобы строить вычисления на основе сигналов четырех наилучшим образом расположенных спутников, некоторые из этих систем обрабатывают совместно сигналы всех видимых в настоящий момент спутников. Применение к этой избыточной информации соответствующих алгоритмов обработки позволяет получить абсолютный минимум коэффициента увеличения ошибок местоопределения GDOP.

Таблица 1.5.

Основные технические характеристики СНС ГЛОНАСС и GPS (NAVSTAR).

Параметр	ГЛОНАСС	GPS
Число НС в полностью развернутой  системе	24	24
Число орбитальных плоскостей	3	6
Угол сдвига орбит по экватору	120°	60°
Количество НС на каждой орбите	8	4
Тип орбиты, высота орбиты	Круговая, 19100 км	Круговая, 20180 км
Наклонение орбиты	64,8°	55°
Период обращения	11час. 15мин.	11час.57,94мин
Способ разделения сигналов НС	Частотный	Кодовый
Рабочие частоты	L1=1598 - 1605 мГц (DfL1=562,5 кГц) L2=1243 - 1249 мГц (DfL2=437,5 кГц)	L1=1575,42 мГц L2=1227,6 мГц
Тип передаваемых сигналов	ПТ (С/А) на L1 ВТ (Р) на L1, L2	С/А на L1 Р на L1, L2
Метод представления эфемеридных  данных	Геоцентрические координаты, их производные	Модифицированные Кеплеровские элементы
Система отсчета координат	ПЗ-90	WGS-84
Система отсчета времени	ГЭВЧ	UTC
Содержимое альманаха	120 бит	152 бит
Длительность передачи альманаха	2,5 мин	12,5 мин

 

Оценка погрешностей СНС.

Рассматривается суммарная  погрешность навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных  систем (НАП СНС) ГЛОНАСС и GPS, состоящая  из погрешностей спутников, передачи информации и НАП СНС. 

Погрешности зависят от режима работы НАП – ГЛОНАСС (Р-1), GPS (Р-2) и ГЛОНАСС + GPS (Р-3). Необходим общий подход с  тем, чтобы результаты оценивания были сопоставимыми.

Погрешности СНС являются случайными процессами.

Погрешности НАП СНС  при работе в режиме ГЛОНАСС.

Анализ материалов показал: на участках полета, где меняется крен самолета, наблюдается увеличение погрешности; корреляционные функции имеют вид  с временем корреляции свыше одного часа; закон распределения погрешностей близок к нормальному. Следовательно, погрешности в определении координат и высоты полета можно оценивать как стационарные эргодические процессы.

Погрешности НАП СНС  при работе в режиме GPS.

Анализ реализаций погрешностей длительностью 24 часа при наблюдении на геодезически привязанной точке  показал:

• погрешности  в определении координат и высоты представляют собой нестационарный случайный процесс с переменной дисперсией, имеющий скрытую периодичность (период  @ 15 мин.). (Отклонения средних значений за весь период наблюдений от эталонных: 1,81 м;   -3,43 м;  -0,04 м);
• разбивая на квазистационарные реализации длительностью 10 – 15 мин. общую реализацию, к оценке погрешностей НАП в режиме GPS могут применяться те же

приемы, что и для погрешностей НАП в режиме ГЛОНАСС. В этом случае значения математического ожидания (МО) и СКО погрешностей статистически  незначимо отличаются от их значений при осреднении по всей реализации.

Из анализа материалов  можно  сделать вывод, что начиная с  интервала 600 с МО и СКО близки к их средним значениям по всей реализации.

Результаты анализа материалов летных испытаний дают представление  о погрешности измерений НАП  в режиме работы по сигналам спутников  системы GPS, как о нестационарном случайном процессе с переменным по времени средним значением. Это видно из анализа кривых погрешностей определения координат и высоты НАП А-737 в режиме GPS.

 Общий подход к анализу  таких процессов, предлагаемый  теорией математической статистики, заключается в выделении нестационарной  части и оценивании стационарных  приращений к ней. Можно считать,  что изменчивость среднего значения, которая обусловлена специально  вводимой помехой, описывается  низкочастотным трендом и гармониками.  Но выделение этих компонентов,  уровень которых составляет более  90% от общей дисперсии реализации  погрешности, приведет к существенному  искажению получаемых оценок. С  другой стороны, эти результаты  мало пригодны для дальнейшего  объединения результатов. Коэффициенты  тренда и гармоник, позволяющие  в каждом отдельном случае  хорошо описать погрешность измерений,  значительно отличаются от одной  реализации к другой.

В то же время можно отметить, что характер погрешностей измерений  СНС показывает расположение погрешности  в фиксированном диапазоне значений. Следовательно, изменение среднего значения носит периодический характер. Определение периода таких изменений  позволяет выбрать временной  интервал достаточно большой для  того, чтобы на этом интервале получить корректные статистические оценки анализируемых  реализаций. Такой интервал должен быть больше периода самой низкочастотной составляющей погрешности измерений.

Основной период корреляции, определенный по первым пересечениям оси абсцисс автокорреляционной функции, находится в диапазоне 800¸1000 секунд. Вид автокорреляционной функции свидетельствует о присутствии нескольких составляющих с периодами большими, чем основной период корреляции.

Исходя из полученных результатов, сделано осреднение статистических оценок вычисленных для реализаций погрешностей измерений на интервалах продолжительностью пятнадцать минут. Итоговые оценки  практически совпадают с теми оценками, которые получены при вычислениях для реализаций погрешностей измерений на всем временном интервале.

Таким образом, подтверждается вывод о корректности объединения  статистических оценок, полученных для  коротких реализаций. Поэтому к оценке погрешностей измерений НАП в  режиме работы по сигналам спутников  системы GPS может применяться тот  же подход, что и для погрешностей НАП в режиме ГЛОНАСС.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Угломерные радиотехнические системы.

 

Угломерная радиотехническая система представляет собой комплекс бортового и наземного оборудования, позволяющий определить направление на передающую радиостанцию. Работа всех угломерных РТС основана на использовании принципа направленного приема или передачи.

В зависимости от комплекта  бортового и наземного оборудования угломерные системы подразделяются на радиокомпасные, радиопеленгаторные и радиомаячные.

Процесс определения углов, направлений называется пеленгацией, а измеренный угол – пеленгом

 

Радиокомпасные:

Радиокомпасная угломерная система бывает двух вариантов:

1. автоматический радиокомпас (АРК ЛА) и наземная РНТ (приводная или радиовещательная станция);
2. автоматический радиокомпас (АРК-У2 )на ЛА и ультракоротковолновый (УКВ) радиопередатчик на ЛА или на земле.