Применение спутниковых НС 1 Содержание Введение

Применение спутниковых НС 1 Содержание Введение 1. Общие сведения о СНС. 2. Геодезические системы координат, применяемые в СНС. 3. Основные принципы определения навигационных параметров ВС. 4. Эксплуатация бортового оборудования GARMIN GNS 430. Заключение.

Историческая справка. . — 4 0 ктября 1957 года – запуск первого ИСЗ в СССР. — — 1959 – 1964 годы введена в эксплуатацию система СНС «Транзит» США. — — 1958 год – начало работ по СНС в СССР. — — 1967 – 1976 годы – создание СНС «Циклон» и «Цикада» в СССР. 1974 – 1993 годы – разработка СНС «Навстар» 12 октября 1982 года – 24 сентября 1993 года создание группировки СНС «Глонасс» из 12 спутников. 1995 год – создана группировка из 24 спутников. 2001 год – на орбите 6 спутников. 2004 год — начало восстановления группировки «Глонасс» . 2006 год — на орбите 26 спутников системы «Глонасс» . МАРТ 2016 года – 28 спутник (23 по назначению , 1 – орбитальный резерв , 2 на исследовании ГК , 1 – летные испытания. )

Доплеровские СНС

Достоинства СНС перед другими РТС Большая высота ИСЗ позволяет создать глобальную зону действия РТС , установленных на спутниках , при использовании простых антенных устройств. Созвездие ИСЗ обеспечивает охват территории всего земного шара. Нахождение спутника в пределах прямой видимости позволяет использовать наиболее помехоустойчивые диапазоны радиоволн и передавать сигналы с наименьшим искажением. Обеспечивается практически неограниченная пропускная способность СНС. Обеспечивается относительная простота и дешевизна бортового оборудования СНС на воздушных судах.

Задачи решаемые СНС повышение уровня безопасности полетов; повышение точности навигации, особенно в районах со слаборазвитой структурой наземного оборудования навигационных РТС и над водными пространствами; уменьшение интервалов эшелонирования ВС и увеличение пропускной способности воздушного пространства; спрямление воздушных трасс.

Преимущества использования СНС высокоцелостное, высоконадежное, всепогодное навигационное обслуживание на глобальной основе; — повышенную точность определения местоположения при четырехмерной навигации; — возможную экономию средств за счет снятия с эксплуатации обычных наземных навигационных средств; — более эффективное использование аэропортов и ВПП; — обеспечение улучшенных возможностей захода на посадку; — возможность сокращения нагрузки на пилота; — возможность уменьшения воздействия на окружающую среду за счет выбора гибких маршрутов.

Псевдодальномерный способ определения координат

Псевдодальномерный способ определения координат

Элементы орбиты спутника

Дальность видимости спутника. .

Направленное излучение спутников

Общие принципы работы СНС.

Подсистемы СНС

Подсистема контроля и управления СНС. . Наземные станции решают следующие задачи. . Определение и прогнозирование координат спутников (эфемерид) и параметров их орбит. Синхронизацию шкал времени каждого спутника с системным временем. Передачу массива служебной информации на спутники. Контроль , диагностику состояния и управление работой бортовых систем спутников.

Подсистема контроля и управления СНС Состоит из : : КОИП (Квантово- оптический измерительный пункт) КИПКИП (командно – измерительный пункт) НКПНКП (( наземный командный пункт) АКВШ (аппаратура контроля временных шкал) АКНП (аппаратура контроля навигационного поля) ЦУСЦУС (центр управления системой) ЦСЦС (центральный синхронизатор) Передаваемая информация включает в себя : : Параметры орбит всех спутников и их состояние и коэффициенты полиномов для расчета скорости изменения параметров орбиты. Поправки к шкалам времени и к несущей частоте.

Применение спутниковых НС 3 Наземный сегмент GPS

Применение спутниковых НС 4 Наземный сегмент ГЛОНАСС

Состав навигационного космического аппарата (спутника) Бортовой навигационный передатчик. Хронизатор (часы). Система ориентации и стабилизации. Управляющий комплекс. Все спутники ГЛОНАСС и GPS являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах ( L 1 L 1 и и L 2 ) который может быть принят приемником пользователя. Передаваемая спутником информация включает две составляющие.

Составляющие информации спутника. .

Составляющие информации спутника. Навигационное сообщение включает в себя текущие координаты спутника (эфемериды), данные о состоянии (исправности) и элементах орбит всех спутников (так называемый альманах), сдвиги шкал времени спутника от системного времени и системного времени от UTC, отличие излучаемой частоты от номинальной и т. д. Псевдослучайный дальномерный код представляет собой очень длинную последовательность «импульсов» , присущего только данному спутнику. Которые периодически повторяются. Эта последовательность выглядит совершенно случайной, но на самом деле формируется по вполне определенному закону. Этот закон и является кодом , без знания которого получить информацию со спутника невозможно. Коды всех спутников системы известны приемнику бортового оборудования ВС. В нем также генерируется код , идентичный принимаемому со спутника.

Сдвиг псевдослучайных последовательностей

Состав подсистемы аппаратуры потребителей Навигационная аппаратура потребителей состоит из : : Навигационных приемников. Вычислительные устройства , предназначенные для обработки навигационных сигналов. Решаемые задачи : Вычисление расчетных координат каждого из 4 спутников. Измерение времени прохождения сигнала от каждого спутника и расчет соответствующей псевдодальности. Вычисление прямоугольных координат ВС и погрешности измерения времени вызванной неточностью часов. Вычисление геодезических координат : широты B B долготы L L и и геодезической высоты H H воздушного судна. Вычисление путевой скорости W W и ФИПУ по информации о сдвигах доплеровских частот. Расчет абсолютной высоты ВС с использованием модели гравитационного поля Земли. Расчет магнитного путевого угла с использованием модели магнитного поля Земли.

Определение координат спутников в прямоугольной геоцентрической системе.

Геоцентрические координаты воздушного судна. .

Организация СНС Космический сегмент Состоит из 24 спутников. Из них 21 – рабочий и 3 – резервных. Круговые орбиты спутников обеспечивают наблюдение одновременно 4 – 8 спутников, с углом возвышения более 15 градусов. Каждый спутник может находиться в поле зрения до 5 часов. GPSGPS — — на 6 орбитах по 4 спутника. Орбиты разнесены вдоль экватора через 60 градусов. Наклон к плоскости экватора составляет 55 градусов. ГЛОНАСС – на 3 орбитах по 8 спутников. Орбиты разнесены вдоль экватора через 120 градусов. Наклон к плоскости экватора составляет 64, 8 градуса.

Характеристика ГЛОНАСС Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24 -х спутников, находящихся на практически круговых орбитах высотой 19100 км с наклонением 64, 8 градуса и периодом обращения 11 часов 15 минут. Более высокое наклонение, чем в Navstar GPS, улучшает условия приема сигналов со спутников в полярных районах планеты. Три орбитальные плоскости раз- несены по долготе на 120 град. В каждой плоскости по 8 спутни- Ков с шагом по широте 45 град. Вес – 1450 кг – ГЛОНАСС 935 кг – ГЛОНАСС – К Срок службы ГЛОНАСС М – 7 лет ГЛОНАСС К — 10 лет

Отличительные особенности ГЛОНАСС В отличие от Navstar GPS, в ГЛОНАСС спутники работают на разных частотах. Частоты излучения каждого спутника могут быть рассчитаны по следующим формулам: f 1 = (1602+ k 562, 5) МГц – для поддиапазона L 1, f 2 = (1246+ k 437, 5) МГц — для поддиапазона L 2. Каждому спутнику назначен свой номер частоты. В каждом поддиапазоне спутники излучают сигналы двух типов: высокой точности (ВТ) и стандартной точности (СТ). Дальномерный код — это псевдослучайная двоичная последовательность которая является одинаковой для всех спутников Разделение сигналов частотное. Система координат ПЗ- 90.

Применение спутниковых НС 5 Космический сегмент СНС

Организация СНС Сегмент пользователей. Состоит из неограниченного количества приемников , которые принимают сигналы со спутников и производят расчеты текущих координат и других навигационных параметров.

Основные технические данные СНС 6 Основные технические данные GPS и ГЛОНАСС Параметры GPS ГЛОНАСС Спутники Количество спутников 24 24 Количество орбит 6 3 Высота орбит, км 20200 19100 Наклон орбиты, град 55 64. 8 Расчетный ресурс спутника, лет 7. 5 не менее 5 Несущая частота ( L 1) МГц 1575.

Основные технические данные GPSGPS и ГЛОНАСС 7 Основные технические данные GPS и ГЛОНАСС Точность определения GPSGPS глонасс а) местоположения в плане, (на плоскости) 4, 46— 7, 38 м — грубый код с S/А 100 м — грубый код без S / A 2, 00— 8, 76 м — точный код (Р — code ) 1, 18 м б) по вертикали, м. 7, 0 м — грубый код с S/A 15, 6 м — грубый код без S/A 2, 8 м в) скорости, м/с 0, 2 0, 15 г) времени, мкс 0, 34 1 Зона действия Глобальная Число одновременных пользователей Не ограничено Используемая система координат WGS -84 ПЗ-

Применение спутниковых НС 8 Вопрос 2. Геодезические системы координат, применяемые в СНС.

Основные параметры WGS-84 и ПЗ-90 . 02 9 Параметр Обозначение WGS-84 ПЗ-90. 02 Большая полуось, м a б 378137 6378136 Малая полуось, м b 6356752, 3 6356751. 4 Сжатие f 298, 25722* 10 -4 298, 258*10 —

Геодезические системы координат , применяемые в СНССНС Согласно решению ИКАО WGS-84 принята в качестве основной системы. Центр эллипсоида ПЗ-90 относительно центра WGS-84 имеет смещение по осям X , Y , Z. Соответственно 2 метра. -6 метров и – 4. 5 метра. Оси Y Y ии Z Z смещены на угловые величины соответственно Y Y = — 0. 35 ” ” , что приводит к линейному смещению на поверхности эллипсоида на экваторе – 10. 8 метра. X= -3. 4. 4 ” ” , что приводит к смещению в 3. 4 метра. Указанные смещения приводят к общему смещению точки в 11. 3 метра.

Влияние местных геодезических координат на точность определения места самолета. Одновременное использование двух различных систем координат приводит к дополнительной методической погрешности определения места самолета. Эта погрешность имеет изменяемый характер , что обусловлено различием размеров эллипсоидов так и несовпадением центров координат. Так при использовании координат СК-42 величина погрешности составляет 60 – 140 метров. Вывод : : Если при полете по маршруту такой погрешностью можно пренебречь , то при заходе на посадку эта погрешность может повлиять на точность и безопасность полетов.

Влияние местных геодезических координат на точность определения места самолета 10 Местные референц-эллипсоиды

Высота полета и волна геоида 11 При использовании СНС для захода на посадку выполнение маневра по глиссаде возможно только в том случае, если будет опубликована высота аэродрома (Наэр) и волна геоида (N).

Высота полета и волна геоида 11 Оборудование СНС определяет геодезическую высоту относительно эллипсоида — h

12 Вопрос 3. Общие принципы функционирования СНС. Основные принципы определения навигационных параметров ВС.

Принципы функционирования СНС. . Все спутники ГЛОНАСС или GPS – являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах. Передаваемый сигнал содержит следующую информацию: — Эфемериды спутников(положение на орбите) -коэффициенты модулирования ионосферы. -информация о состоянии спутника. -системное время и уход часов спутника. -информация о дрейфе спутника.

Принципы функционирования СНС Наземный сегмент осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные параметры спутников. Данные о результатах измерений , выполненные каждой контрольной станцией обрабатываются на главной станции управления и используются для прогнозирования эфемерид спутников. Там же формируются сигналы для коррекции спутниковых часов.

8 приемник спутник Pseudo-random code

Принцип определения координат. В основу определения координат спомощью СНС положен принцип измерения дальностей до навигационных спутников Д = С х Т С -скорость распостранения радиосигнала. Т – время прохождения радиосигнала. . С = 300000 км/сек мрмр

Принцип определения координат 4545 Два измерения ограничивают наше возможное местоположение линией окружности.

Принцип определения координат 4646 Третье измерение ограничивает наше возможное местоположение всего лишь двумя точками.

Принцип определения координат 12 а

Устранение влияния неточности хода часов. .

Устранение влияния неточности хода часов. .

12 Устранение влияния неточности хода часов

Устранение влияния неточности хода часов Компьютеры приемников СНС запрограммированны таким образом , что , когда результаты серии измерений не сходятся в одной точке они понимают , что где-то ошибка. Сбой часов приемника. Компьютер начинает прибавлять или вычитать некоторую фиксированную величину ко всем результатам измерений. Подбор продолжается до тех пор пока окружности не пересекутся в одной точке. Подбор величины поправки происходит по правилу решения четырех уравнений с четырьмя неизвестными , поэтому задача решается довольно быстро. Ошибка , вызванная сбоем точности хода часов приемника иправляется добавлением еще одной дальности. Таким образом , для точных трехмерных измерений нужны четыре спутника

Факторы точности работы СНС.

Погрешность определения координат спутников и времени. Текущие координаты спутников (в прямоугольной системе координат OXYZ) рассчитываются в бортовых приемниках по известным элементам орбит. Элементы орбит рассчитываются на Земле и периодически передаются на спутник. Кроме самих элементов орбит передаются и их производные (скорости изменения, вызванные возмущающими факторами). Все эти данные в составе навигационного сообщения поступают в бортовой приемник, который и рассчитывает текущие координаты спутника, то есть, по сути, осуществляет счисление его координат. Но, как и в любой системе счисления координат, погрешности счисления возрастают с течением времени. Погрешность расчета координат спутника тем больше, чем больше времени прошло с момента времени, на который были определены параметры орбиты. Однако эти параметры обновляются достаточно часто, поэтому значительная погрешность, как правило, не успевает накопиться. СНС работает в своем, «системном» , времени, определяемым наземным центральным синхронизатором высокой точности (нестабильность 10 -13 – 10 -15). Тем не менее, это системное время расходится с UTC и величина расхождения периодически передается на каждый спутник. Однако на каждом спутнике используется свой стандарт времени. Фактически на каждом спутнике используется свое собственное время. Оно периодически корректируется с Земли путем ввода поправок В результате неточности эфемеридной информации и времени погрешность определения координат спутника, как правило , не превышает одного метра. .

Погрешности измерения псевдоцелей. . Радиоволны, излучаемые спутниками, проходят через атмосферу, характеристики которой меняются в пространстве и во времени. Различают ионосферные и тропосферные погрешности. Ионосферные погрешности: При прохождении радиоволн через ионосферу их траектория искривляется, а скорость радиоволн изменяется. Это вызывает ионосферную погрешность измерения псевдодальности, величина которой различна в разных местах планеты, меняется в зависимости от времени года и суток, подвержена влиянию солнечной активности, космического излучения. Обычно ионосферные погрешности составляю 8 -10 м, но могут достигать 40 -100 м и более. Тропосферные погрешности : : Тропосферные погрешности возникают в нижнем слое атмосферы. От частоты сигнала они не зависят, а зависят от температуры, давления, влажности воздуха. Эти величины трудно прогнозировать, чтобы использовать в математических моделях. Остаточная величина тропосферной погрешности имеет порядок 1 -4 м. Многолучевость распостранения сигнала: Если вблизи бортового приемника находятся местные предметы (возвышенности, здания и т. п. ), то радиосигнал поступает к приемнику не только по прямому пути, но и после переотражения от этих местных предметов. Это вызывает ошибку до нескольких десятков метров.

Способы уменьшения погрешностей . . Излучение одного и того же кода одновременно на двух частотах. Ионосферная погрешность сильно зависит от частоты, поэтому, принимая один и тот же сигнал одновременно на двух частотах, можно выявить значительную ее часть. Такой способ позволяет уменьшить погрешность до 1 -2 м. Рассчитать с помощью математической модели вероятное значение ионосферной погрешности в данном месте и в данное время и учесть его в результатах измерений. . Параметры модели рассчитываются на Земле по результатам наблюдения за всеми спутниками, передаются на каждый спутник и затем, в составе навигационного сообщения, в бортовой приемник ВС. Поскольку любая модель является неточной, то и ионосферная погрешность таким способом устраняется не полностью. Использование дифференциального режима СНС на основе применения функциональных дополнений. Для уменьшения погрешности из-за многолучевости используются различные методы – от применения специальных антенн, до использования сложных алгоритмов обработки сигнала (фильтр Калмана).

Геометрический фактор.

Геометрический фактор

Классификация приемоиндикаторов СНС

Классификация приемоиндикаторов СНС

Классификация приемоиндикаторов СНС Класс А. —

Различие систем координат и моделей геоида. . Координаты ВС первоначально определяются в прямоугольной системе координат OXY, а затем пересчитываются в геодезическую систему координат, заданную на том или ином эллипсоиде. Но ведь можно использовать множество различных как прямоугольных, так и геодезических систем координат. Начала систем координат могут быть сдвинуты по осям X, Y, Z, а сами системы повернуты друг относительно друга вокруг каждой из осей. Эллипсоиды, центры которых находятся в началах прямоугольных систем координат, могут иметь разные размеры и степень сжатия. Приемники, предназначенные для работы с Navstar GPS, выдают координаты во всемирной геодезической системе координат WGS-84 (World Geodetic System), которая изначально и создавалась именно для работы с GPS. Для ГЛОНАСС основной является другая общеземная система отсчета – ПЗ-90. Последняя ее версия (ПЗ-90. 02) незначительно отличается от WGS-84. Направления осей систем координат ПЗ-90. 02 и WGS-84 совпадают, а сдвиги начал систем координат по осям X, Y и Z являются незначительными и составляют соответственно 36, 8 и 18 см. Поэтому радиальная погрешность определения пространственного места самолета за счет различия систем координат не может превысить 41 см.

Конструктивные особенности приемников СНС

Выводы Основой точного измерения расстояний до спутников , является прецизионный отсчет времени. Спутники выполняют прецизионный отсчет времени благодаря атомным часам. Приемники не нуждаются в прецизионных часах , поскольку ошибка компенсируется измерением дальности до четвертого спутника. Конструкция приемников определяется необходимостью измерения дальности до четырех спутников.

Виды кодов GPSGPS. . 14 Виды кодов, применяемые в американской GPS : — C / A — code ( Course / Acquisition — свободного использования); — P — code ( Protected — защищенный). Р-код засекречен и доступ к нему имеет только министерство обороны США. С/А-код является общедоступным. Но в процесс использования С/А-кода может быть введен режим S / A ( Selective Availability — ограниченного доступа), который предназначен для снижения точности пеленгования простым «загрублением» сигналов времени, передаваемых спутником.

Дифференциальный режим СНС. . В районе аэродрома радиусом 50 – 100 километров устанавливается контрольная станция , которая принимает сигналы спутников , определяет поправки в координаты для данного района и текущего момента времени. Передает полученные поправки потребителям по специальной линии радиосвязи. Аппаратура потребителя должна иметь приемное устройство для связи с контрольной станцией и специальный дифференциальный режим работы приемника СНС.

Виды ошибок СНС. . Ошибка из-за влияния ионосферы Земли. Это слой электрически заряженных частиц на высоте 80 – 100 миль над земной поверхностью они и влияют на скорость прохождения сигнала со спутников. Ошибки , вызванные влиянием атмосферы. ( Состояние погоды , испарение воды) Ошибка бортовых часов спутников. Эффект многолучевого распространения сигналов. Геометрия расположения спутников. Бортовые часы спутника – 2 фута. Ошибки эфемерид – 2 фута Ошибки приемника – 4 фута. Воздействие ионосферы и атмосферы – 12 футов Полная среднеквадратичная – 15 – 30 футов.

ТЕМА № 10 Применение спутниковых НС 15 Вопрос 4. Эксплуатация бортового оборудования GARMIN GNS 430.

ТЕМА № 10 Применение спутниковых НС 16 Приемник СНС GARMIN GNS 430 w

ТЕМА № 10 Применение спутниковых НС 17 Кнопки и ручки, расположение слева на пульте управления

ТЕМА № 10 Применение спутниковых НС 18 Кнопки и ручки, расположение справа на пульте управления

ТЕМА № 10 Применение спутниковых НС 19 Нижний ряд кнопок пульта управления