Національний авіаційний університет
Факультет аеронавігації, електроніки та телекомунікації
Кафедра електроніки, робототехніки і технологій моніторингу та інтернету речей
Реферат
З дисципліни «Технології навігації та позиціонування в приміщеннях»
«Загальний опис технологій та засобів вирішення задач навігації та позиціонування»
Виконала:
студентка групи ФЕ-137М
Тишкова Ірина Олександрівна
Перевірив:
Габрусенко Євген Ігорович
КИЇВ-2021
КОСМІЧНИЙ СЕГМЕНТ
Космічний сегмент, що складається з навігаційних супутників, є сукупністю джерел радіонавігаційних сигналів, що передають одночасно значний обсяг службової інформації. Основні функції кожного супутника - формування та випромінювання радіосигналів, необхідних для навігаційних визначень споживачів та контролю бортових систем супутника.
НАЗЕМНИЙ СЕГМЕНТ
До складу наземного сегмента входять космодром, командно-вимірювальний комплекс та центр управління. Космодром забезпечує виведення супутників на необхідні орбіти при початковому розгортанні навігаційної системи, і навіть періодичне заповнення супутників у міру їх виходу з експлуатації або вироблення ресурсу. Головними об'єктами космодрому є технічна позиція та стартовий комплекс. Технічна позиція забезпечує прийом, зберігання та складання ракет-носіїв та супутників, їх випробування, заправку та стикування. До завдань стартового комплексу входять: доставка носія з навігаційним супутником на стартовий майданчик, установка на пускову систему, передпольотні випробування, заправка носія, наведення та пуск.
Командно-вимірювальний комплекс служить для постачання навігаційних супутників службовою інформацією, необхідною для проведення навігаційних сеансів, а також контролю та управління ними як космічними апаратами.
Центр управління, пов'язаний інформаційними та керуючими радіолініями з космодромом та командно-вимірювальним комплексом, координує функціонування всіх елементів супутникової навігаційної системи.
КОРИСТУВАЛЬНИЦЬКИЙ СЕГМЕНТ
У сегмент користувача входить апаратура споживачів, призначена для прийому сигналів від навігаційних супутників, вимірювання навігаційних параметрів і обробки вимірювань. Для вирішення навігаційних завдань в апаратурі споживача передбачається спеціальний вбудований комп'ютер. Різноманітність наявної апаратури споживачів забезпечує потреби наземних, морських, авіаційних та космічних (у межах ближнього космосу) споживачів.
Принцип роботи системи навігації
Сучасна супутникова навігація ґрунтується на використанні принципу беззапитових далекомірних вимірювань між навігаційними супутниками та споживачем. Це означає, що споживачеві у складі навігаційного сигналу передається інформація про координати супутників. Одночасно (синхронно) виробляються виміри дальностей до навігаційних супутників. Спосіб вимірювань дальностей ґрунтується на обчисленні тимчасових затримок сигналу, що приймається від супутника в порівнянні з сигналом, що генерується апаратурою споживача.
На малюнку наведено схему визначень розташування споживача з координатами x, y, z на основі вимірювань дальності до чотирьох навігаційних супутників. Кольоровими товстими лініями показані кола, у центрі яких розташовані супутники. Радіуси кіл відповідають справжнім дальностям, тобто. істинним відстаням між супутниками та споживачем. Кольорові тонкі лінії – це кола з радіусами, що відповідають виміряним далекостям, які відрізняються від істинних і тому називаються псевдодальностями. Справжня дальність відрізняється від псевдодальності на величину, рівну добутку швидкості світла для догляду годин b, тобто. величину зміщення годинника споживача по відношенню до системного часу. На малюнку показаний випадок, коли догляд годинника споживача більше нуля – тобто годинник споживача випереджає системний час,
В ідеальному варіанті, коли вимірювання виробляються точно і показання годин супутників і споживача збігаються для визначення положення споживача в просторі достатньо виміряти до трьох навігаційних супутників.
Насправді показання годинників, що входять до складу НАП , відрізняються від показань годинника на борту навігаційних супутників. Тоді для вирішення навігаційної задачі до невідомих раніше параметрів (три координати споживача) слід додати ще один - зміщення між годинником споживача та системним часом. Звідси випливає, що в загальному випадку для вирішення навігаційного завдання споживач повинен «бачити» як мінімум чотири навігаційні супутники.
Системи координат
Для функціонування навігаційних супутникових систем необхідні дані про параметри обертання Землі, фундаментальні ефемериди Місяця і планет, дані про гравітаційне поле Землі, про моделі атмосфери, а також високоточні дані про системи координат і часу, що використовуються.
Геоцентричні системи координат - системи координат, початок яких збігається із центром мас Землі. Їх також називають загальноземними чи глобальними.
Для побудови та підтримки загальноземних систем координат використовуються чотири основні методи космічної геодезії:
- радіоінтерферометрія з наддовгою базою (РСДБ),
- лазерна локація КА (SLR),
- доплерівські вимірювальні системи (DORIS),
- навігаційні виміри КА ГЛОНАСС та інших ГНСС .
Міжнародна земна система координат ITRF є зразком земної системи координат.
У сучасних навігаційних супутникових системах використовуються різні, як правило, національні системи координат:
| Навігаційна система | Система координат |
| Система координат ГЛОНАСС | ПЗ-90 (Параметри Землі 1990 року) |
| Система координат GPS | WGS-84 (World Geodetic System) |
| Система координат ГАЛІЛЕО | GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame) |
| Система координат Бейдо | CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000) |
| Система координат QZSS | JGS (Japanese geodetic system) |
| Система координат NavIC | WGS-84 (World Geodetic System) |
Системи часу
Відповідно до розв'язуваних завдань використовуються два типи систем часу: астрономічні та атомні.
Системи астрономічного часу ґрунтуються на добовому обертанні Землі. Еталоном для побудови шкал астрономічного часу є сонячна або зоряна доба, залежно від точки небесної сфери, за якою проводиться вимірювання часу.
Всесвітній час UT (Universal Time) — середній сонячний час на меридіані.
Всесвітній координований час UTC синхронізований з атомним часом та є міжнародним стандартом, на якому базується громадянський час.
Атомний час (TAI) — час, основою виміру якого покладено електромагнітні коливання, випромінювані атомами чи молекулами під час переходу з одного енергетичного стану до іншого. У 1967 році на Генеральній конференції заходів і терезів було прийнято, що атомна секунда являє собою перехід між надтонкими рівнями F=4, M=0 і F=3, M=0 основного стану 2S1/2 атома цезію-133, не обуреного зовнішніми полями , і що частоті цього переходу приписується значення 9192631770 Гц.
Супутникова радіонавігаційна система є просторово-часовою системою із зоною дії, що охоплює весь навколоземний простір, і функціонує у власному системному часі. Важливе місце у ГНСС відводиться проблемі тимчасової синхронізації підсистем, яка важлива й у забезпечення заданої послідовності випромінювання сигналів всіх навігаційних супутників. Вона обумовлює можливість застосування пасивних далекомірних (псевдодалекомірних) методів вимірювань. Наземний командно-вимірювальний комплекс забезпечує синхронізацію шкал часу всіх НКА шляхом їх звіряння та корекції (безпосередньої та алгоритмічної).
Навігаційні радіосигнали
При виборі типів і параметрів сигналів, які у супутникових радіонавігаційних системах, враховується цілий комплекс вимог і умов. Сигнали повинні забезпечувати високу точність вимірювання часу приходу (затримки) сигналу та його доплерівської частоти та високу ймовірність правильного декодування навігаційного повідомлення. Також сигнали повинні мати низький рівень взаємної кореляції у тому, щоб сигнали різних НКА надійно розрізнялися НАП. Крім того, сигнали ГНСС повинні максимально ефективно використовувати відведену смугу частот при малому рівні позасмугового випромінювання, а також мати високу стійкість до перешкод.
Майже всі існуючі навігаційні супутникові системи, крім індійської системи NAVIC, використовують передачі сигналів діапазон L. Система NAVIC випромінюватиме сигнали додатково й у S діапазоні.
Діапазони, що займаються різними навігаційними супутниковими системами
Види модуляції
З розвитком супутникових навігаційних систем змінювалися використовувані види модуляції радіосигналів.
У більшості систем навігації спочатку використовувалися виключно сигнали з бінарною (двопозиційною) фазовою модуляцією – ФМ-2 (BPSK). В даний час в супутниковій навігації почався перехід до нового класу функцій, що модулюють, що отримали назву BOC (Binary Offset Carrier)-сигналів.
Принципова відмінність BOC-сигналів від сигналів з ФМ-2 полягає в тому, що символ модулюючої ПСП BOC-сигналу є не прямокутний відеоімпульс, а відрізок меандрового коливання, що включає деяке постійне число періодів k. Тому сигнали із BOC-модуляцією часто називають меандровими шумоподібними сигналами.
Використання сигналів з BOC-модуляцією підвищує потенційну точність вимірювання та здатність із затримкою. Одночасно з цим зменшується рівень взаємних перешкод при спільному функціонуванні навігаційних систем, що використовують традиційні та нові сигнали.
Навігаційне повідомлення
Кожен супутник приймає із наземних станцій управління навігаційну інформацію, яка передається назад користувачам у складі навігаційного сполучення. Навігаційне повідомлення містить різні типи інформації, необхідні для того, щоб визначити розташування користувача та синхронізувати його шкалу часу з національним еталоном.
Типи інформації навігаційного повідомлення
Ефемеридна інформація, необхідна для обчислення координат супутника з достатньою точністю
Похибка розбіжності бортової шкали часу щодо системної шкали часу для врахування зсуву часу КА при навігаційних вимірах
Розбіжність між шкалою часу навігаційної системи та національною шкалою часу, для вирішення задачі синхронізації споживачів
Ознаки придатності з інформацією про стан супутника для оперативного виключення супутників із виявленими відмовими з навігаційного рішення
Альманах з інформацією про орбіти та стан усіх апаратів у групуванні для довгострокового грубого прогнозу руху супутників та планування вимірювань
Параметри моделі іоносфери необхідні одночастотним приймачам для компенсації похибок навігаційних вимірювань, пов'язаних із затримкою поширення сигналів в іоносфері.
Параметри обертання Землі для точного перерахунку координат споживача у різних системах координат
Ознаки придатності оновлюються протягом кількох секунд під час виявлення відмови. Параметри ефемерид та часу, як правило, оновлюються не частіше, ніж 1 раз на півгодини. При цьому період оновлення для різних систем сильно відрізняється і може досягати чотирьох годин, тоді як альманах оновлюється не частіше ніж один раз на день.
За своїм змістом навігаційне повідомлення поділяється на оперативну та неоперативну інформацію та передається у вигляді потоку ЦІ . Спочатку у всіх навігаційних супутникових системах використовувалася структура виду «суперкадр/кадр/рядок/слово». При цій структурі потік ЦІ формується у вигляді суперкадрів, що безперервно повторюються, суперкадр складається з декількох кадрів, кадр складається з декількох рядків.
Відповідно до структури "суперкадр/кадр/рядок/слово" формувалися сигнали системи БЕЙДОУ, ГАЛІЛЕО (крім E6), GPS (LNAV дані, L1), сигнали ГЛОНАСС з частотним поділом. Залежно від системи розміри суперкадрів, кадрів і рядків можуть відрізнятися, але принцип формування залишається схожим.
Наразі у більшості сигналів використовується гнучка рядкова структура. У цій структурі навігаційне повідомлення формується як змінного потоку рядків різних типів. Кожен тип рядка має унікальну структуру і містить певний тип інформації (зазначені вище). НАП виділяє з потоку черговий рядок, визначає її тип і відповідно до типу виділяє інформацію, що міститься в цьому рядку.
Гнучка рядкова структура навігаційного повідомлення дозволяє набагато ефективніше використовувати пропускну здатність каналу передачі. Але головною перевагою навігаційного сполучення з гнучкою рядковою структурою є можливість її еволюційної модернізації за дотримання принципу зворотної сумісності. Для цього в ІКД для розробників НАП спеціально вказується, що якщо НАП у навігаційному сполученні зустрічає рядки невідомих їй типів, то вона має їх ігнорувати. Це дозволяє додавати в процесі модернізації ДПСР до раніше існуючих типів рядків рядка з новими типами. НАП, випущена раніше, ігнорує рядки з новими типами і, отже, не використовує ті новації, які запроваджуються у процесі модернізації ДПСС, але її працездатність не порушується.
Повідомлення сигналів ГЛОНАСС із кодовим поділом мають рядкову структуру.
Чинники, що впливають на зниження точності
На точність визначення споживачем своїх координат, швидкості руху та часу впливає безліч факторів, які можна поділити на три категорії:
Системні похибки, що вносяться апаратурою космічного комплексу
Похибки, пов'язані з функціонуванням бортової апаратури супутника та наземного комплексу управління ДПСЗ обумовлені переважно недосконалістю частотно-часового та ефемеридного забезпечення.
Похибки, що виникають на трасі поширення сигналу від КА до споживача
Похибки обумовлені відмінністю швидкості поширення радіосигналів в атмосфері Землі від швидкості їх поширення у вакуумі, а також залежність швидкості від фізичних властивостей різних шарів атмосфери.
Похибки, що виникають в апаратурі споживача
Апаратурні похибки поділяються на систематичну похибку апаратурної затримки радіосигналу в АП та флуктуаційні похибки, зумовлені шумами та динамікою споживача.
Крім того, на точність навігаційно-часового визначення суттєво впливає взаємне розташування навігаційних супутників та споживача.
Кількісною характеристикою похибки визначення місця розташування та поправки показань годинника, пов'язаної з особливостями просторового становища супутника та споживача, служить так званий геометричний фактор Γ Σ або коефіцієнт геометрії. В англомовній літературі використовується позначення GDOP – Geometrical delusion of precision.
Геометричний фактор Γ Σ показує, у скільки разів відбувається зменшення точності вимірів і залежить від наступних параметрів:
Г п - геометричний фактор точності визначення місцезнаходження споживача ДПНС у просторі.
Відповідає PDOP - Position delusion of precision.
Г г - геометричний фактор точності визначення розташування споживача ДПСС по горизонталі.
Відповідає HDOP - Horizontal delusion of precision.
Г в - геометричний коефіцієнт точності визначення розташування споживача ГНСС по вертикалі.
Відповідає VDOP - Vertical delusion of precision.
Г т - геометричний фактор точності визначення поправки показань годинника споживача ДПСС.
Відповідає TDOP - Time delusion of precision.
Підвищення точності навігації
ГНСС GPS і ГЛОНАСС, що існують в даний час, дозволяють задовольнити потреби в навігаційному обслуговуванні широке коло споживачів. Однак існує ряд завдань, які вимагають високих точностей навігації: зліт, захід на посадку та посадку літаків, судноводіння у прибережних водах, навігація вертольотів та автомобілів та ін.
Класичним способом підвищення точності навігаційних визначень є використання диференціального (відносного) режиму визначень.
Диференціальний режим передбачає використання одного або більше базових приймачів, розміщених у точках з відомими координатами, які одночасно з приймачем споживача (рухомим, або мобільним) здійснюють прийом сигналів тих самих супутників.
Підвищення точності навігаційних визначень досягається за рахунок того, що помилки виміру навігаційних параметрів споживчого та базових приймачів є корельованими. При формуванні різниць вимірюваних параметрів більшість таких похибок компенсується.
В основі диференціального методу лежить знання координат опорної точки - ККС або системи опорних станцій, щодо яких можуть бути обчислені поправки до визначення псевдодальностей до навігаційних супутників. Якщо ці поправки врахувати в апаратурі споживача, то точність розрахунку, зокрема координат може бути підвищена в десятки разів.
Для забезпечення диференціального режиму для великого регіону – наприклад, для Росії, країн Європи, США – передача диференціальних поправок, що коректують, здійснюється за допомогою геостаціонарних супутників. Системи, що реалізують такий підхід, отримали назву широкозонні диференціальні системи.
Докладніше про системи функціональних доповнень ДПСЗ, які надають споживачам додаткову інформацію, див. у розділі «Функціональні доповнення» .