Спутниковые навигационные системы 1 Общий принцип работы

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Спутниковые навигационные системы 1

Общий принцип работы СНС Измерения СНС основаны на определении местоположения объекта по расстояниям до спутников, которые используются в качестве точек отсчета для вычисления координат объекта. А А, В, С Определение расстояний до спутников: Расстояние = скорость* время СНС измеряет время, за которое радиосигнал доходит до объекта на Земле, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Определение времени распространения радиосигнала: Приемник d. T Спутник 2

Синхронизация измерений Расхождение шкал времени спутника и приемника даже на 0, 01 с ведет к ошибке измерения расстояния 3000 километров! На спутниках устанавливаются «атомные» часы. В качестве «метронома» в них используются колебания атомов водорода или цезия. Для них нестабильность составляет (1. . . 5)*10 -14 секунды. В аппаратуре потребителя синхронизация решается с помощью использования расстояния до еще одного спутника. R*i=[(xci - x)2+(yci - y)2+(zci - z)2]1/2 + с tп i = 1. . . 4, где R* - «псевдодальность» до спутника; xc, yc, zc – координаты спутника; x, y, z – координаты потребителя; tп – ошибка часов приемника. 3

Определение положения спутников Полет спутника по орбите вокруг Земли описывается математическими соотношениями. Спутники выводятся очень точно на свои орбиты и, поскольку на высоте 20000 километров атмосферное торможение отсутствует, остаются на них в течение длительного времени. 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. Для контроля параметров спутников выполняется постоянное наблюдение за движением спутников с помощью наземных контрольных станций. После того, как станция наблюдения определила положение спутника и вычислила поправки к его орбите, эта информация передается обратно на спутник, заменяя собой в памяти его бортового компьютера прежнюю информацию. 4

Основные причины погрешности определения местоположения с помощью СНС 1. 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. 2. Прохождении радиосигналом тропосферы Земли. Влага в той или иной ее форме, практически постоянно находящаяся в тропосфере, вызывает задержки в распространении радиоволн. Методы минимизации этих ошибок. Во-первых, можно описать типичное изменение скорости при средних условиях, а затем ввести поправку в измерения. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух разночастотных радиосигналов. Когда радиоволна проходит через ионосферу и тропосферу, возникает запаздывание в ее распространении, т. е. задержка сигнала, обратно пропорциональная квадрату частоты излучения. Чем ниже несущая частота сигнала, тем больше он замедляется. Если сравнить в приемнике времена распространения двух разночастотных компонент сигнала СНС, то для каждой из них можно вычислить временную задержку. Этот метод корректировки используется в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках. 3. Погрешности часов спутника. Наземные станции следят за этими часами и могут сверить их если выявиться хотя бы незначительный уход. Но даже при этом, возникающие иногда неточности заметно увеличивают результирующие погрешности местоопределения. 4. Многолучевость. Возникает, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадут на антенну приемника. В результате сигнал спутника не проходит к приемнику по прямой, как тому следует быть, а вместо этого совершает "окольный путь". 5

Геометрический фактор понижения точности Для оценки потенциальной точности измерений используется Geometric Dilution of Precision - GDOP (геометрический фактор понижения точности). Точность местоопределения при прочих одинаковых условиях зависит от того, какие именно спутники из числа находящихся в прямой видимости используются в качестве «рабочего созвездия» . В зависимости от их взаимного расположения на небосводе геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут увеличивать или уменьшать погрешность местоопределения. В зависимости от угла между направлениями на спутники область неопределенности местоположения изменяется. Чем больше угол между направлениями на спутники, тем лучше измерения. GDOP 2=PDOP 2+TDOP 2=HDOP 2+VDOP 2+TDOP 2, где PDOP– position DOP (понижение точности измерения пространственных координат); HDOP– horizontal DOP (понижение точности измерения плановых координат); VDOP– vertical DOP (понижение точности измерения вертикальной координаты); TDOP– time DOP (понижение точности измерения времени). 6

Характеристика погрешностей СНС Источники ошибок СКО, [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 6. 1÷ 13. 7 Для вычисления действительных погрешностей надо умножить суммарную погрешность на GDOP (2÷ 4) Действительная 12. 2÷ 41. 1 7

Классификация спутниковых навигационных систем 1. Место решения навигационной задачи. СНС делятся на системы самоопределения и иноопределения. Первые позволяют определять параметры движения на борту самолета. В системах второго вида навигационная задача решается в ином месте — на борту спутника или в наземном центре навигации. При самоопределении на борту размещается приемная аппаратура и вычислитель для обработки информации. 2. Наличие навигационного передатчика. Различают активные и пассивные СНС. В пассивных системах навигационные сигналы в своем темпе излучает передатчик спутника, а на борту эти сигналы принимаются и обрабатываются. Активные системы располагают бортовым навигационным передатчиком и работают по схеме информационного взаимодействия со спутником «запрос-ответ» . 3. Темп выдачи навигационных решений. СНС делятся на системы дискретного и непрерывного действия. В дискретных системах навигационные определения могут проводиться лишь через известные интервалы времени, обусловленные периодичностью появления очередного спутника над горизонтом. Системы непрерывного действия допускают непрерывную выдачу определяемых параметров, поскольку в таких системах в зоне радиовидимости всегда располагается нужное число спутников. 4. Количество каналов. Бортовую аппаратуру можно разделить на одноканальную и многоканальную. Одноканальная аппаратура – измерительный канал настраивается на слежение за сигналом одного спутником, поэтому измерения можно выполнять только последовательно во времени. Многоканальная аппаратура – параллельный одновременный прием сигнала от используемой группы спутников для практически мгновенного определения параметров движения. 8

Структура спутниковых навигационных систем В составе современных спутниковых систем действует три основные группы: • космическая – навигационные спутники (НС); • наземный сегмент контроля и управления навигационными спутниками, который включает в себя станции траекторных измерений (СТИ) и координационно-вычислительный центр (КВЦ); • аппаратура потребителей. 9

Отечественная система ГЛОНАСС Система 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. Параметры орбитальной сети. Круговая орбита; высота 19 100 км; период обращения 11 ч 15 мин, наклонение плоскости орбиты 64, 8°. После полного развертывания 24 НС будут размещаться на трех орбитах, сдвинутых по экватору на 120°. Навигационный сигнал. Способ разделения сигналов, излучаемых спутниками — частотный. Сигналы спутников идентифицируются по значению несущей частоты, лежащей в отведенной полосе частот. Предусмотрены две частотные полосы в диапазонах L 1 и L 2. Для частот вблизи 1600 МГц (диапазон L 1) f=1602 МГц, f =0, 5625 МГц. Для частот вблизи 1240 МГц (диапазон L 2) f=1246 МГц, f=0, 4375 МГц. 10

Наземный сегмент контроля и управления навигационными спутниками системы ГЛОНАСС Для обеспечения работ системы ГЛОНАСС используются контрольные станции, рассредоточенные по всей территории России. Размещение сети контрольных станций выбрано с учетом существующей инфраструктуры управления и из условий надежного решения задач траекторных измерений для всей орбитальной группировки. Такая сеть обеспечивает закладку на спутники высокоточных эфемерид и временных поправок 1 раз в сутки. 11

Зарубежная система GPS Американская спутниковая навигационная система – GPS (Global Positioning System), первоначальный этап которой получил наименование Navstar (Navigation System using Timing and Ranging). Название Navstar в настоящее время сохранилось за сериями спутников системы GPS. Параметры орбитальной сети. Круговая орбита; высота 20 180 км; период обращения 11 ч 57, 94 мин, наклонение плоскости орбиты 55°. 24 НС размещаются на шести орбитах, сдвинутых по экватору на 60°. Навигационный сигнал. Способ разделения сигналов, излучаемых спутниками — кодовый. Каждый спутник излучает два кода: С/А – для гражданских потребителей и Р – для военных потребителей. Оба кода передаются на общей частоте f=1575, 42 МГц (L 1). Для реализации двухчастотного режима используется частота f=1227, 6 МГц (L 2). 12

Наземный сегмент контроля и управления навигационными спутниками системы GPS Центры управления – центр космических испытаний на авиабазе Онизука, г. Саннивейл и центр космических операций, авиабаза Шривер, г. Колорадо Спрингс. 9 стационарных командно-измерительных пунктов. 5 контрольных станций и станций ввода данных системы GPS. Каждая контрольная станция осуществляет круглосуточный прием сигналов со всех спутников системы GPS, а также производит сбор местной метеоинформации, необходимой для последующего расчета тропосферных поправок. Собранная информация оперативно запоминается и по запросу передаётся в Центр управления системой для последующей обработки. 13

Скачать презентацию Спутниковые навигационные системы 1 Общий принцип работы

Занятие 7.ppt

Количество слайдов: 13