Современные спутниковые навигационные системы Основные элементы спутниковой

Современные спутниковые навигационные системы

Основные элементы спутниковой системы навигации Космический сегмент l Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Основные элементы спутниковой системы навигации Наземный сегмент l В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. l Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами. Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно -измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы. l

Основные элементы спутниковой системы навигации Пользовательский сегмент l В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Принцип работы системы навигации l Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Принцип работы системы навигации l На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Сплошными линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т. е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Пунктирные линии – это псевдодальности. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т. е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

Системы навигации GPS l Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства поддерживающие навигацию по GPS являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR. ГЛОНАСС l Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. Отмечается малая распространенность клиентского оборудования. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы. Бэйдоу l Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите. Galileo l Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году. IRNSS l Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS - 7.

Основные характеристики систем навигации ГЛОНАСС l Орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, расположенных в трех плоскостях по 8 спутников в каждой и в каждой плоскости по одному резервному спутнику на высоте 19400 км. Система ГЛОНАСС позволяет обеспечить непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения путем использования сигналов стандартной и высокой точности с вероятностью 0, 95 при 18 спутниках и 0, 997 при 24 спутниках в группировке. Система ГЛОНАСС отнесена к космической технике двойного назначения. GPS l Система GPS – глобальная навигационная спутниковая система двойного применения. Орбитальная группировка системы включает 24 навигационных спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по 4 спутника в плоскости, высота орбиты 20180 км. Возможно увеличение количества спутников в каждой плоскости до 6. В настоящее время в составе орбитальной группировки GPS находится 30 навигационных спутников в штатном использовании. Galileo Система Galileo – это европейская глобальная навигационная спутниковая система под гражданским управлением. Орбитальная группировка системы Galileo будет состоять из 27 навигационных спутников, расположенных в трех плоскостях на высоте около 24 тыс. км. Система Galileo будет совместима с системами GPS и ГЛОНАСС. l

Различие используемых спутников ГЛОНАСС l Основу спутника "Глонасс-М" составляет цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1, 350 м, в котором размещаются служебные системы и специальная аппаратура. С выдвинутой (раскрытой) штангой магнитометра его длина составляет 7, 840 м. На "нижнем" (в положении штатной ориентации) днище спутника смонтирована платформа с антеннофидерным устройствами и панелью уголковых отражателей; на "верхнем"- топливные баки и штанга магнитометра. На боковой поверхности гермоконтейнера закреплены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два раскрывающихся на орбите радиатора системы терморегулирования, два блока двигателей и датчики ориентации. Питание всех подсистем производится от солнечных батарей, ширина которых в раскрытом виде составляет 7, 230 м. Общая масса составляет 1415 (1487) кг. При этом масса конструкции равна всего 237 кг. В число систем спутника входят: бортовые навигационный передатчик (БНП), хронизатор (БХ) ("часы"), управляющий комплекс (БУК), средства заправки и обеспечения параметров среды в гермоконтейнере; системы ориентации и стабилизации (СО), коррекции, электропитания (СЭП), терморегулирования (СТР); элементы конструкции и кабельная сеть. Время активного существования на орбите составляет 3 -5 лет.

Различие используемых спутников GPS l Система GPS последовательно базировалась и базируется на постоянно совершенствуемых навигационных космических аппаратах (НКА) Блок-I, Блок-IIА. В состав бортового оборудования спутника входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые "часы", бортовое вычислительное устройство в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения и на орбите, телеметрии, приема команд и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания. Антенная система в линии передачи данных использует конические и спирально-конические антенны. Для передачи навигационных сигналов используются фазированные антенные решетки из спиральных излучающих элементов. Блок-I был предназначен для определения местоположения в течение 3 -4 дней без контакта с землей. Блок-II должен был обеспечивать местоопределение без контакта с землей в течение 14 дней. Блок-IIА должен обеспечивать функционирование системы в течение 180 дней без контакта с землей. Повышение автономности работы достигается за счет прогнозирования и компенсации погрешностей. Блок-IIR должен обеспечивать местоопределеиие без контакта с землей по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-IIA и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации при работе только спутников Блок-IIR. НКА Блок-IIF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование cтpуктуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.

Перспективы систем ГЛОНАСС l В целях развития системы ГЛОНАСС утверждена федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система". Она предусматривает создание глобального навигационного поля для определения координат объектов с высокой степенью точности и достоверности, внедрение спутниковых навигационных технологий в информационные контуры управления движением, повышение уровня безопасности в дорожно-транспортном комплексе страны, значительное снижение эксплуатационных расходов, отказ в перспективе от использования традиционных наземных навигационных радиотехнических средств. GPS Для развития системы GPS предусмотрена следующая программа: Повышается точность гражданского навигационного сигнала (снимается сигнальный селективный доступ; Планируется создание новых навигационных спутников с повышенными тактико-техническими характеристиками; Прорабатываются технические возможности реализации пространственного селективного доступа, которой позволит реализовать, по желанию США, навигационное обеспечение с пониженной точностью в любом районе Земного шара, либо совсем исключить этот район из зоны обслуживания системы GPS; Проводится активная работа по разработке стандартов на систему GPS и принятия их в качестве международных; GALILEO l Введение системы Galileo в эксплуатацию планируется в 2012 году. Основными направлениями работ данного проекта являются разработка орбитальной группировки, её развёртывание и построение наземного сегмента.

Состояние систем в настоящий момент (на 11. 05. 2013 г ) Всего в составе ОГ GPS - 31 КА l l Используются по целевому назначению - 30 КА На этапе ввода в систему Временно выведены на техобслуживание - 1 КА На этапе вывода из системы - Всего в составе ОГ ГЛОНАСС - 29 КА l l l Используются по целевому назначению - 24 КА На этапе ввода в систему Временно выведены на техобслуживание Орбитальный резерв - 4 КА На этапе летных испытаний - 1 КА

Современные спутниковые вещательные системы Спутниковое телевидение и интернет На земле стоит передатчик, который в космос передает высокочастотный сигнал в направлении спутника, расположенного на геостационарной орбите находящейся над экватором на высоте 35786 км. Особенностью этой орбиты является то, что спутники, находящиеся на ней, перемещаются со скоростью равной скорости самой Земли, т. е. один оборот за 24 часа, и для человека, находящегося на Земле, они кажутся неподвижными относительно поверхности земли. Поэтому неподвижными являются и антенны, нацеленные на эти спутники.

Спутниковое телевидение и интернет l l Принятый спутником сигнал усиливается и своими передатчиками передается на определенную территорию Земли, называемую зоной покрытия. Благодаря тому, что спутник находится на большой высоте над поверхностью планеты, передаваемый им сигнал принимается на территории достигающей нескольких тысяч квадратных километров. Но его мощность сигнала одинакова не везде, в центре она будет максимальна, а ближе к краю постепенно ослабевать, так как по своей форме и свойствам он напоминает луч света. Обычно транспондеры направлены на определенную часть суши. Вот пример карты зоны покрытия спутника Eutelsat. W 4 передающего телевизионные каналы «Триколор. ТВ» и «НТВ-ПЛЮС» на европейскую часть России.

Спутниковое телевидение и интернет l Частоты, на которых передаются спутниковые программы, гораздо выше частот наземного телевидения, поэтому для их приёма используются специальные антенны, напоминающие форму “тарелки”. На ней установлена приемная головка (конвертер), которая при помощи кабеля соединяется с ресивером, а он, в свою очередь, с телевизором. Т. е. сигнал со спутника, попадая на поверхность тарелки, отражается и фокусируется на головке (облучателе) конвертера, который дополнительно облучает поверхность антенны (зеркало) для более полного снятия и усиления принятого сигнала. На выходе конвертера, усиленный и преобразованный в более низкую частоту сигнал, по кабелю подается на вход ресивера, а с его выхода, уже обработанный в обычный телевизионный формат, подается на вход телевизора.

Спутниковое телевидение и интернет l Для интернета все-то же самое, только вместо ресивера используется DVB-карта, устанавливаемая в слот PCI компьютера. Она выполняет те же самые функции, что и ресивер, только полученные данные со спутника передает компьютеру, который уже на программном уровне ведет их обработку.

Спутниковое телевидение и интернет l l Надо сказать, что со спутников ведется передача сигнала как в открытом доступе, так и в кодированном. Телевизионные каналы, идущие в открытом доступе, называют «открытыми» (Free To Air – FTA) или бесплатными. Они есть практически на любом спутнике, но среди них русскоязычных мало, и они, как правило, не постоянны и не несут полезной информации. Эти каналы возможно принимать на любой спутниковый ресивер. Каналы, идущие в кодированном доступе, являются коммерческими и имеют защиту от несанкционированного просмотра, то есть «кодировку» . Для их просмотра нужны ресиверы со встроенными декодерами совместимые с выбранной системой кодирования, так каждый спутниковый провайдер использует свою систему кодирования сигнала.

Наноспутники l Миниатюрные космические аппараты характеризуются коротким циклом разработки, они просты в управлении, требуют значительно меньших финансовых затрат для вывода на орбиту. Узкая специализация наноспутников позволяет повысить надежность и экономичность создаваемых на их базе информационных систем. l Классификация космических аппаратов : l Большие - Более 1000 кг Малые - 500 – 1000 кг Миниспутники - 100 – 500 кг Микроспутники - 10 – 100 кг Наноспутники - 1 – 10 кг Пикоспутники - Менее 1 кг l l l

Наноспутники l Назначение l Отработка новейших технологий, методов и программно-аппаратных решений Образовательные программы Экологический мониторинг Исследования геофизических полей l l l К преимуществам сверхмалых космических аппаратов в силу отсутствия большого количества сложных деталей относятся: высокая технологичность, малые сроки изготовления, низкая стоимость и относительная простота выведения на орбиту. Именно поэтому в будущем на смену тяжелым спутникам стоимостью сотни миллионов евро, на проектировку и производство которых уходит до десяти лет, придут новые малые и сверхмалые космические аппараты. Сегодня же их рассматривают как недорогие платформы для проведения научных экспериментов и исследований в условиях космоса и невесомости. Техническими ограничениями наноспутников можно считать малый объем для полезной нагрузки, а также недолгий срок активного существования. Кроме того, миниатюрность не позволяет устанавливать на них мощные приемники, передатчики и дополнительную нагрузку, вынуждая выбирать для каждого свою «специализацию» .

Наноспутники l Первым российским наноспутником стал технологический наноспутник ТНС-0 (масса — 5, 0 кг, диаметр — 170 мм, длина — 550 мм), разработанный в ОАО «Российские космические системы» . Его запуск был произведен российским космонавтом Салижаном Шариповым 28 марта 2005 года ручным способом с борта МКС во время выхода экипажа в открытый космос.

Проект "Скафандр" l Введение l Научная аппаратура «Разрез» для космического эксперимента «Скафандр» предназначена для эксплуатации в условиях открытого космического пространства. Аппаратура размещается в отработавшем свой ресурс скафандре «Орлан-М» . В ходе внекорабельной деятельности скафандр, с размещенной в нем включенной научной аппаратурой, отталкивается космонавтом от внешней поверхности Российского сегмента МКС. Аппаратура будет работать на протяжении всего времени снижения орбиты с 350 км до ~180 км, после чего скафандр с аппаратурой сгорит в верхних слоях атмосферы. «Разрез» - это первый научный космический эксперимент, в котором на борту скафандра размещается научная аппаратура. Особенностью проекта является измерение радиационной обстановки вдали от массивных космических аппаратов (при этом отсутствуют потоки локальных заряженных частиц, наведенной радиации), таких как МКС в широком высотном диапазоне.

Проект "Скафандр" l Состав аппаратуры l Аппаратура «Разрез» состоит из восьми блоков: l - нейтронный блок для измерения потоков нейтронов с энергиями больше нескольких кэ. В и больше нескольких Мэ. В; - базовый блок с управляющей электроникой и детекторами нейтронов тепловых энергий, гамма-квантов и протонов; - четыре дозиметрических блока с оболочкой из тканеэквивалентного материала имитирующих человеческие органы для оценки дозы радиации, которую получает космонавт при выходе в открытый космос (при длительном полете вдали от космических аппаратов). На дозиметрических блоках расположены температурные датчики, позволяющие получить распределение температурного поля внутри скафандра. - дозиметр, позволяющий получить спектры ЛПЭ и ядерные спектры. - выносной блок для регистрации потоков электронов, температурный датчик для определения температуры на поверхности скафандра, датчики освещенности для определения положения скафандра относительно тени Земли. l l

Проект "Скафандр" l Научные задачи КЭ «Разрез» : l Получение высотного разреза распределения потоков нейтронов тепловых и малых энергий; Первые эксперименты по регистрации нейтронов от гроз были проведены в 1985 году [1]. В экспериментах «Рябина» , «Скорпион» и «Колибри-2000» , было замечено превышение нейтронного фона или всплески нейтронного излучения, которые, предположительно связаны с грозовой активностью на Земле [2]. Малая масса, снижающаяся орбита и обширная нейтронная программа скафандра позволит определить источник этих всплесков. Определение дозы, получаемой космонавтом в скафандре (вдали от массивных космических аппаратов) в зависимости от степени его защищенности. Для этого предназначены четыре идентичных детектора нейтронов, защищенных пластиком, который имитирует органы человека под соответствующей защитой – кроветворная система, хрусталик глаза и кожа, желудочно-кишечный тракт, гонады; Эксперимент является уникальным, так как длительных испытаний скафандра в открытом космосе не проводилось. Определение структуры радиационных поясов на высотах ниже 350 км на средних и низких широтах. Эксперимент позволит получить высотный разрез структуры РПЗ, так как скафандр является падающим объектом. l l l