Системи супутникової навігації

підручник Військова топографіяСкачать «Військова топографія» бесплатно, а также скачать много других карт можно в нашем архиве карт

У зв’язку з розвитком наукової думки, досягнень у освоєнні космосу, спеціалісти прийшли до висновку, що подальший розвиток класичних способів навігації обмежений і вдосконалення гіроскопічних систем навігації не зможе забезпечити найсучасніші види бойової техніки та озброєння швидкими і більш надійними способами навігації. Інтенсивний розвиток космонавтики показав, що використання супутників у навігації і є найперспективнішим шляхом до створення навігації майбутнього.

У провідних країнах світу ще в 70-х роках минулого століття почали розробку глобальних космічних навігаційних систем. Прогрес у цій галузі визначається передусім створенням систем TRANSIT, NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) в США і ГЛОНАСС (ГЛОбальна НАвігаційна Супутникова Система)  – в СРСР, а тепер супутникової навігаційної системи  Російської Федерації.

Майже десятилітня успішна експлуатація в США першої супутникової навігаційно-геодезичної системи TRANSIT, яка забезпечила надійну навігацію ракетних підводних човнів, стала стимулом до створення ще більш вдосконаленої космічної навігаційної системи. Завдяки зусиллям Міністерства оборони США у 1983 р. була затверджена програма розробки нової навігаційної супутникової системи GPS (Global Positioning System – Глобальна навігаційна система), яка призначена, передусім для використання у військових цілях для точного визначення координат у будь-якій точці Землі протягом доби.

NAVSTAR GPS складається з підсистеми КА (космічних апаратів), які складають космічний сегмент, підсистеми контролю та управління (сегмента контролю) і апаратури сегмента користувачів (апаратури користувачів супутникової навігаційної інформації).

Космічний сегмент складається з 24-х супутників, орбіти яких не геостаціонарні, тобто супутники не знаходяться постійно над визначеною точкою земної кулі, як супутники-ретранслятори телевізійних програм. Крім того, орбіти супутників розраховані так, що над будь-якою точкою Землі протягом доби, їх знаходиться не менше 4-х.

Підсистема контролю та управління забезпечує підсистему космічних апаратів інформацією, яка необхідна для створення єдиного глобального навігаційно-часового поля. Кожний супутник випромінює радіохвилі на робочих частотах L1 і L2, що модульовані навігаційним сполученням і кодовими послідовностями.

Сигнал на частоті L1 модульований загальнодоступними для всіх користувачів С/А кодами (Clear Acquisition – код вільного доступу) і Р-кодами (Protected – захищений), а на частоті L2 – тільки Р-кодом. Визначення координат об’єктів при використанні С/А-кодів відбувається зі зниженою точністю, порівняно з Р-кодами, які дозволяють визначати положення об’єктів з високою точністю, проте цей код захищений від несанкціонованого використання.

Координати місцезнаходження визначають шляхом вимірювання відстані до 4-х супутників, які для даної точки забезпечують найбільші взаємні кути візування, а, відповідно, і найменші помилки у вимірюванні відстаней.

Відстані до супутників визначаються часом, який проходе радіосигнал від супутника до приймача на Землі. Для цього в системі передбачені спеціальні подвійні кодові послідовності радіосигналів, які називають „псевдовипадковими” кодами, тобто це засоби системи GPS установлення моменту абсолютного співпадання сигналів супутника і користувача в момент визначення відстані до супутника. Ці коди дають можливість Міністерству оборони США регулювати доступ до супутникової системи, тобто з початком бойових дій, наприклад, ці коди можуть бути змінені, що унеможливить використання цієї системи противником.

Для забезпечення ідеальної синхронізації супутників і приймачів за часом, на супутниках установлені високоточні атомні еталонні генератори частоти. Проте на приймачах можуть бути установлені і менш вдосконалені хронометри завдяки тому, що їх помилка виправляється одночасним вимірюванням відстаней до 4-х супутників.

Переваги цієї системи над іншими полягають у всепогодності та універсальності, простоті в експлуатації, надзвичайно високій точності вимірювань. Швидкість визначення координат об’єктів – моментальна, або – безперервно в реальному масштабі часу для рухомих об’єктів. Крім цього, GPS може забезпечити даними практично безмежну кількість користувачів. Оскільки система створювалась у першу чергу як військова, вона виключно стійка і надійна, на неї не впливають ні природні, ні штучні перешкоди. Орбіти супутників системи знаходяться на такій висоті, що протидія на них наземних систем малоефективна.

До недоліків системи GPS необхідно віднести достатньо високу вартість апаратури споживачів супутникової навігації, наявність закритого  Р-коду, відсутність доступу до якого створює деякі складнощі для отримання дуже високої точності визначення координат об’єктів місцевості.

Система ГЛОНАСС також містить три сегменти: космічний сегмент з орбітальним угрупованням космічних апаратів, сегмент управління, сегмент  навігаційної апаратури користувачів. Повне орбітальне угруповання ГЛОНАСС містить 24 штатних супутники на кругових орбітах (рис. 15.23) з нахилом 64,8° в трьох орбітальних площинах по 8 космічних апаратів у кожній. Довготи трьох Орбітальне угруповання супутників ГЛОНАССорбітальних площин відрізняються на 120°. Період обертання космічних апаратів дорівнює 11г 15хв 44с, і, відповідно, висота орбіти складає 19 100 км над поверхнею Землі. В кожній орбітальній площині 8 космічних апаратів рознесені по широті через 45°, і широти в 3 орбітальних площинах зсунуті на ±15°. В апаратурі споживачів здійснюється обчислення координат за виміряними псевдодальностями.
15.23. Орбітальне угруповання супутників ГЛОНАСС

Головна різниця систем GPS і ГЛОНАСС полягає в різній орбітальній побудові угруповань космічних апаратів. Супутники орбітального угруповання GPS знаходяться на 6 кругових орбітах висотою приблизно 20 000 км, нахилом 55° та рівномірно рознесених по довготі через 60°.

Характеристики точності цих супутникових навігаційних систем наведені у табл. 15.1.

Найменування системи

Діапазон робочих частот, МГц

Точність визначення координат, м

ГЛОНАСС 1602,5625...1615,500±1МГц 30
GPS 1227,60±12 МГц 40

Головним недоліком супутникових навігаційних систем, як і всіх радіотехнічних засобів, є можливість впливу на них систем радіоелектронної боротьби, які можуть вивести їх з ладу або внести суттєву похибку в показники навігаційних вимірювань. Одним із варіантів усунення наведених похибок є створення двостандартного навігаційного приймача, який би міг працювати як із системою GPS, так і з ситемою ГЛОНАСС. Спільна обробка навігаційних визначень від двох систем повинна, на думку фахівців, суттєво збільшити точність навігаційних вимірів.

Такі приймачі були створені в Україні виробничим об’єднанням „Оризон-навігація”. Вони успішно пройшли державні випробування і прийняті на озброєння. Основні характеристики двостандартних супутникових навігаційних приймачів вітчизняного виробництва наведені в табл. 15.2.

 

 

Модель

 

Кількість каналів/

кількість супутників

 

 

Маса, кг

 

 

Точність визначення координат, м НР/ДР/ПДР

Час входження в роботу, холодний старт /гарячий старт /після перерви > 0,3 хв,хв

СН-3001 14/14 1,0 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/-GPS 3/1/0,1
СН-3002 14/14 0,8 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/- GPS 3/1,5/0,1
СН-3003 14/14 1,0 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/- GPS 3/1,5/0,1
СН-3101 14/14 3 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/-GPS 3/1,5/0,1
СН-3102 14/14 2.6 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/-GPS 3/0,8/0,1
СН-3301 14/14 3,8 10...15/1...3/-ГЛ 25...40/-/-GPS 3/1,5/0,1
СН-3302 14/14 2,3 20/-/- 3/1,5/-
СН-3601 14/14 4,5 12/1…2/ 0,02...0,03 3/1,5/-
СН-3700 14/14 1,2 10…15/1…3/-ГЛ 25…40/-/- GPS 3/1,5/0,1
СН-3704

НАВИ

ОР-14

14/14 0,12 10…15/1…3/-ГЛ 25…40/-/-GPS 3/1,5/0,1
СН-3706 14/14 0,18 8…15/1…3/-ГЛ 25…40/-/-GPS 3/0,8/0,1
К-182 18/18 0.32 10…15/-/-ГЛ

35…50/-/- GPS

-

Примітка: ГЛ – ГЛОНАСС, HP – номінальний режим, ДР – диференційний режим, ПДР – постдиференційний режим, що припускає обробку після проведення вимірів.

За оцінками спеціалістів, апаратура споживачів супутникової навігації, як в автономному використанні, так і в комплекті з іншими системами навігації (інерціальними, доплеровськими та іншими) займає провідне місце в світі на ринку споживачів навігаційної інформації, оскільки напрямки застосування сучасних навігаційних систем майже безмежні, як у військовій справі, так і в народному господарстві.

Використання сучасних навігаційних систем у Збройних Силах України значно підвищить якість, достовірність і швидкість геодезичних та навігаційних параметрів. Супутникова навігаційна апаратура може використовуватись, наприклад, у підрозділах Топографічної служби для вирішення задач на рівні геодезичних точностей (від десятків сантиметрів до одиниць метрів), у родах військ – для навігації (точність визначення координат 25-50 м), в авіації – для повітроплавання тощо.

Таким чином, створення та розвиток космічних навігаційних систем дозволяє досягти такого високого технологічного рівня отримання координат об’єктів місцевості в глобальних геоцентричних системах координат, про який споживачі 30-40 років тому назад не могли й мріяти.