определение координат с помощью СНС

В СНС второго поколения применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой -20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию высокостабильных эталонов (источников) времени и частоты в системе обеспечивается достаточно точная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА.

Основное назначение спутниковых навигационных систем второго поколения — глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических аппаратов. Это означает, что любой объект, оснащенный приемником СНС, может в любом месте приземного пространства и в любой момент времени определить параметры своего движения — три координаты и три составляющие вектора скорости.

Наряду с обеспечением оперативной навигации различных объектов СНС второго поколения позволяют проводить:

  • локальную высокоточную навигацию подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов с применением стационарных наземных корректирующих станций;
  • высокоточную взаимную геодезическую «привязку» удаленных наземных объектов;
  • взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах;
  • неоперативную автономную навигацию среднеорбитальных космических объектов;
  • определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

СНС второго поколения включают в себя три сегмента:

  • орбитальную группировку НКА;
  • наземный комплекс управления;
  • приемную аппаратуру пользователей (приемоиндикаторы).

Основные функции НКА заключаются в формировании и излучении навигационных радиосигналов. Для этого в состав их аппаратуры входят: радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от наземного комплекса, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты, солнечные батареи и др. Конфигурация сети НКА обеспечивает заданную рабочую зону, возможность реализации различных методов навигационно-временных определений, диапазон изменения параметров радиосигналов. Несколько НКА, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и надземного потребителя, радионавигационное поле (глобальную рабочую зону), позволяющее проводить навигационные измерения с высокой точностью.

Наземный комплекс обеспечивает наблюдение и контроль за траекторией движения НКА, качеством функционирования их аппаратуры, управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации. Наземный комплекс состоит из координационно-вычислительного центра, станций траекторных измерений, станций управления, системного эталона времени и частоты. Периодически, при полете НКА в зоне видимости станции управления, происходит закладка в память бортовой ЭВМ спутника специальной информации, которая затем передается потребителям в навигационном сообщении в виде кадров соответствующего формата. В частности, в это сообщение закладывается так называемый альманах — набор справочных сведений о сети НКА, включающий эфемериды (параметры движения) всех НКА, которые используются приемником для начального выбора рабочего созвездия спутников.

На первом этапе аппаратура наземных комплексов измеряет координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляет параметры их орбит. Затем эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моменты времени, например, на середину каждого часового интервала предстоящих суток до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные таким образом координаты и их производные (эфемериды) передаются на спутники, чтобы затем в виде навигационного сообщения, соответствующего указанным моментам времени, последовательно передаваться потребителям. На втором этапе в приемнике потребителя по этим данным осуществляется вторичное прогнозирование координат НКА, которое заключается в вычислении текущих координат НКА в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат осуществляются с учетом известных закономерностей движения НКА. В отличие от самоопределяющихся НКА рассмотренный вариант функционирования СНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения наземного оборудования.

Приемники (приемоиндикаторы) СНС предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения местоположения объекта путем измерения расстояния до спутников с известными координатами. Если, например, известно, что объект находится на расстоянии 11000 км от спутника А, то это значит, что он находится где-то на поверхности сферы радиусом 11000 км с центром, совпадающим со спутником А. Если при этом расстояние до второго спутника В составляет 12000 км, то это значит, что объект находится на линии пересечения двух сфер радиусами 11000 и 12000 км.

Таким образом, задача определения местоположения объекта в первом приближении сводится к определению расстояний до двух спутников.

Определение этих расстояний при известной скорости распространения радиосигнала (300 000 км/с) производится достаточно просто, если известен момент времени, когда он передан со спутника. Для этого, во-первых, спутники снабжены бортовыми часами с наносекундной точностью и, во-вторых, приемник должен быть синхронизирован с этими часами, чтобы на передающей и приемной стороне генерировался один и тот же код в одно и то же время. При таких условиях сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника.

Если спутник и приемник имеют расхождение шкал времени (выходят из синхронизма), например, на 0,01 с, то измерение расстояния будет произведено с ошибкой в 2 993 км (!). Поскольку в каждом приемнике невозможно использовать громоздкие и дорогостоящие атомные часы (стоимостью около 100 000 долларов), то оказалось, что это затруднение можно обойти, если произвести дополнительные измерения расстояния.

Предположим, что объект находится в четырех секундах от спутника А, в шести от спутника В и в восьми от спутника С. Если часы на спутнике и в приемнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение на плоскости в принципе может быть найдено, как уже говорилось, по измерениям расстояния до двух спутников. Если же получены измерения с трех спутников, то при одинаковой точности хода часов спутника и приемника круг, описанный радиус-вектором третьего спутника, будет пересекаться с двумя другими в одной точке. Однако если часы в приемнике спешат на 1 с, то круги от каждого спутника уже не пересекаются в одной точке. В этом случае компьютер приемника начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итераций до тех пор, пока не сведет все три измерения к одной точке (для двух окружностей такое невозможно). После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание по методу наименьших квадратов.

Таким образом, при определении координат на плоскости (широты и долготы) и при неточности хода часов в приемнике проводятся измерения не истинных расстояний, а так называемых псевдодальностей до трех спутников, а при определении трех координат (широты, долготы и высоты) — до четырех. Кроме того, если необходимо выполнять непрерывное местоопределение в реальном масштабе времени, то, очевидно, целесообразно использовать приемник, имеющий по крайней мере четыре канала (выпускаемые в настоящее время приемники имеют в большинстве случаев 12 каналов).

При определении расстояний до спутников основными источниками погрешностей являются:

  • задержка радиосигнала при прохождении через ионосферу Земли — слой заряженных частиц на высоте 120…290 км; наиболее действенным способом учета таких задержек является использование двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний: при определенных соотношениях частот этих несущих удается существенно уменьшить влияние ионосферы на точность определения координат;
  • сбой атомных часов на спутниках (устраняется станциями слежения);
  • явление многолучевости (многократное переотражение сигналов от окружающих предметов и поверхностей), особенно характерное для пригоризонтных спутников;
  • преднамеренное ухудшение точности путем установки на НКА режима S/A (Selective Availability) — режима ограниченного доступа, который может вводиться министерством обороны США внесением искусственных ошибок в навигационные данные или смещением шкалы спутниковых эталонов времени (о состоянии S/A можно судить по значению точности измерения расстояния от спутника до пользователя (параметр URA (User Range Accuracy) в некоторых приемниках): если его значение больше 30, то скорее всего на спутнике был активирован режим S/A);
  • так называемый GDOP (Geometric Dilution of Precision) — геометрический фактор снижения точности, определяемый взаимным расположением спутников, используемых приемником при позиционировании. На практике вместо GDOP чаще используется PDOP (Position Dilution of Precision) — фактор снижения точности определения местоположения. Предельное значение PDOP, при превышении которого вычисление координат не производится, называется маской PDOP. Рекомендуемое (устанавливаемое по умолчанию) значение маски PDOP для GPS-приемников геодезического класса компании Trimble равно 7; для картографических и ГИС-приемников — 6. Более низкие значения PDOP указывают на более высокое качество данных: значение 4 или меньше указывает на самые лучшие условия наблюдений (без учета количества спутников), от 5 до 8 — на удовлетворительные и более 9 — на плохие. Кроме PDOP, используются также факторы снижения точности определения горизонтальных (HDOP) и вертикальных (VDOP) координат.

В некоторых случаях используется понятие маски по углу возвышения — это угол, отсчитываемый от горизонта, ниже которого спутники не используются. Для работ на участках, где имеются местные препятствия (например, листва деревьев или здания) вероятность точного определения координат существует лишь в том случае, если значение маски возвышения равно или превышает 159. Например, в геодезических GPS-приемниках фирмы Trimble по умолчанию установлено значение маски возвышения 15° для приложений с постобработкой данных и 13° для съемок в реальном времени. Когда спутник находится близко к горизонту, то его сигналы должны пройти значительное расстояние через атмосферу, в результате чего он ослабляется и задерживается, что приводит к возникновению существенной ошибки при вычислении расстояния.

В случае дифференциального режима маска по углу возвышения для передвижного приемника должна быть больше, чем для базовой станции, на 1° на 100 км расстояния между приемниками.

Программное обеспечение для обработки данных с приемников СНС во многих случаях может рассчитывать и выводить на дисплей регистратора планисферы (Sky Plots) с изображением геометрии созвездия спутников. Планисферы представляют собой круг, на котором изображена проекция небесной сферы с маркерами, отображающими видимое положение спутников; спутники у горизонта попадают на край планисферы. Планисферы

Идеальной является конфигурация из четырех спутников, три из которых расположены невысоко над горизонтом симметрично относительно четвертого спутника, находящегося в зените. В этом случае получаются наиболее качественные результаты измерений, т. к. любые ошибки определения горизонтальных координат, полученные из одного направления, контролируются измерениями с противоположной стороны, а спутник, расположенный в зените, дает проверку по высоте для трех остальных.

Плохая геометрия будет в том случае, когда все спутники расположены в одной и той же части неба или выстроились в прямую линию. Определенная геометрия может быть неудачна для отдельного DOP-параметра и выигрышна для других видов DOP. Например, если нужна прежде всего точность определения только горизонтальных координат, то можно использовать геометрию, показанную в примере: несмотря на большое значение PDOP, точность определения горизонтальных координат будет достаточно высокой.




Дополнительные материалы:

  • Работа с «Календарем» на iPad Спрашивая при встрече «Как поживаешь?», чаще всего в наши дни услышишь в ответ «Куча дел». Мы крутимся как белки в колесе, нам все время нужно куда-то бежать и с кем-то встречаться. И […]
  • Защита информации на накопителе USB от посторонних лиц Вследствие своих малых размеров мобильный накопитель на основе флэш-памяти может быть утерян или похищен. Поэтому необходима система защитных мероприятий, обеспечивающих невозможность […]
  • Обновление прошивки для Xiaomi Redmi 1S Хорошая новость для пользователей Xiaomi  Redmi 1S. Компания выпустила столь необходимое обновление прошивки для своего смартфона  начального уровня. Официальное обновление прошивки […]
  • Основные и второстепенные функции радиотелефонов Современные радиотелефоны оснащены широким диапазоном различных функций. Также устройства отличаются комплектацией, радиусом действия на открытой и закрытой местности. Предлагаем Вам […]
Share This

Поделитесь!

Если статья показалась Вам полезной.