Ее достоинства и принцип работы

 

Буквально «Навигационная» означает «мореплавание», и основной ее задачей в настоящее время является теория и практика управления движущимися объектами, обеспечивающего точное, надежное и безопасное их вождение.

Для летательных аппаратов этим занимается воздушная навигация, для космических – космическая навигация. Основу навигации составляют навигационные приборы. Они совершенствуются наряду с техническим прогрессом.

На протяжении тысячелетий основными инструментами навигации были компас, карта и секстант[11].

Достигнув в ходе развития совершенства, эти три кита, на которых покоилось судовождение (а затем и самолетовождение), перестали удовлетворять основным задачам определения точного местоположения объектов в заданной системе координат.

В последние десятилетия к методам определения данных координатно-временного обеспечения прибавились радионавигационные системы, обеспечивающие навигационные определения с помощью радиотехнических средств и устройств. Но и им присущи определенные недостатки: трудности в обеспечении глобальности, низкая живучесть и слабая помехозащищенность.

Возросшие скорости, повышение интенсивности перемещений требуют более точных определений навигационных параметров. Традиционные навигационные технологии не могут удовлетворять этим возросшим требованиям. Наиболее современные методы навигации сегодня – это спутниковые навигационные системы (СНС). Такие системы направлены на непрерывные оперативные навигационно-временные определения параметров подвижных объектов на земной и водной поверхностях, в воздушном и ближнем космическом пространстве, с высокой степенью точности и в реальном масштабе времени.

В настоящее время в России используются две СНС: Глонасс и Навстар (Navstar).

Приступили к созданию орбитальных группировок СНС европейцы (Галилео) и китайцы (Бэйдоу).

Космические методы определения координат

 

Мы будем рассматривать только две крупнейшие навигационные системы – Глонасс и Навстар. Глонасс (глобальная навигационная система) предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех региона мира. Разрабатывалась она по заказу Министерства обороны, но сейчас принимается для предоставления навигационных услуг различным категориям потребителей.

Аналогичная американская глобальная система позиционирования[12] – GPS (Global Positioning System) известная как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging) – навигационная система определения времени и дальности.

Обе системы работают на основе орбитальных группировок (ОГ) космических аппаратов (КА), обращающихся вокруг Земли на средневысоких орбитах.

Рис.14 Созвездие спутников (показано 18 спутников)

 

Одним из важнейших преимуществ СНС перед существующими ранее навигационными определениями является всепогодность.

Принцип действия СНС основан на том, что каждый КА орбитальной группировки СНС передает сигнал, который содержит время его отправления, литер (номер) спутника и его координаты.

Приемник этих навигационных сигналов на Земле получает их и запоминает.

Тогда имея синхронизированные с КА часы, приемник сравнивает время отправки сигнала с КА со временем его получения на Земле. Если скорость распространения такого сигнала известна, то интересующее нас расстояние S от КА до приемника может быть подсчитано по следующее простой формуле:

, (1)

где υ – скорость распространения сигнала (в спутниковых измерениях эту скорость отождествляют со скоростью света в вакууме, а влияние атмосферы учитывают посредством введения соответствующей поправки);

t – регистрируемое время прохождения сигналом расстояния между КА и приемником сигнала.

Расстояние в этом случае является основным определяемым параметром между спутником и приемником.

В тоже время, чтобы определить это расстояние основной измеряемой величиной является время, затрачиваемое информационным сигналом на прохождение расстояния между спутником и приемником. В основе этого метода лежит весьма простая функциональная блок-схема, которая изображена на рис. 15.

Пункт А (спутник)                                               Пункт Б (приемник)

Рис. 15 Упрощенная функциональная схема дальномера,

работающего на одностороннем принципе

Если учесть несинхронность работы опорных генераторов, входящих в состав передатчика и приемника и составляющих основу для создания устройств, с помощью которых отсчитывается время на спутнике и на приемнике, то формула (1), используемая для вычисления измеряемого расстояния, нуждается в уточнении.

С этой целью обозначим поправку, обусловленную несинхронностью хода часов на спутнике и на приемнике, как ∆ t, тогда значение вычисляемого расстояния s по формуле (1) будет иметь вид:

,      

Входящая в формулу поправка υ∆ t зависит от стабильности хода часов на разнесенных в пространстве пунктах (спутник t и приемник t) и может достигать значительных величин, исчисляемых в пересчете на единицы длины сотнями метров и более. Такое существенное различие между измеряемым и истинным значениями определяемых длин линий, т. е. между S и s, привело к целесообразности введения для величины S названия псевдодальности, подчеркивая, тем самым, ее отличие от истинного значения расстояния – s.

Для определения координат приемника – X_P, Y_P, Z_P по известным координатам спутника – X_s, Y_s, Z_s – воспользуемся соотношением хорошо известным из аналитической геометрии:

,       

Подставляя это соотношение в формулу (13) можно получить следующую формулу для измеренного расстояния между спутником и приемником:

,       

В этой формуле четыре неизвестных величины: три координаты точки стояния приемника (X_P, Y_P, Z_P) и поправка за уход часов.

Для получения единственного решения необходимо, чтобы число неизвестных не превышало число уравнений наблюдений.

Другими словами, для нахождения этих неизвестных производят одновременные наблюдения не менее четырех спутников, составляется и совместно решается система уравнений, которая соответствует различным значениям расстояний s до различных спутников. Это составляет одну из функций вычислительного комплекса приемника, который определяет координаты приемника с учетом упомянутой выше поправки.

Эти координаты – широту, долготу и высоту – можно наблюдать на экране дисплея приемника непосредственно в процессе сеанса наблюдений.

Для того, чтобы оценить точность получения координат СНС, необходимо представлять влияние свойственных этому методу основных источников ошибок.

Следует подчеркнуть, как ни совершенна спутниковая навигационная система, существуют погрешности, влияния которых очень трудно избежать.

Наиболее значимые погрешности возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли (слой заряженных частиц на высотах от 50 до 1000 километров). Эти частицы заметно влияют на скорость распространения радиоволн.

Как следствие, это приводит к серьезным ошибкам при определении расстояний до спутников, если оно построено на предположении о строгом постоянстве скорости распространения радиоволн.

Чтобы сделать минимальными подобные ошибки, разработано два специальных метода их коррекции.

Первый основан на предсказании типичного изменения скорости при средних ионосферных условиях и в последующем внесении поправок во все измерения.

Другой, более точный метод, связан со сравнением скоростей распространения двух разночастотных радиосигналов и вычислением соответствующих временных задержек в ионосфере.

Тропосферные погодные явления, в частности – влага в той или иной форме, также вызывают задержки в распространении радиоволн. Однако их гораздо труднее выявить. Правда, их суммарный вклад в погрешность вычисления местоположения относительно невелик.

Таблица 1

Источники ошибок и относительные погрешности измерений

Источники ошибок измерений	Относительные погрешности, %
1. Ионосферные и тропосферные задержки	54
2. Погрешности приемника	17,5
3. Погрешности часов	8,8
4. Эфемеридные погрешности	8,8
5. Иные погрешности	10,9

 

Существуют и другие источники ошибок, влияющие на конечную точность.

Во-первых, это небольшие погрешности у атомных часов на спутниках.

Во-вторых, приемники на Земле тоже иногда ошибаются. Например, компьютер приемника может допустить ошибку, выполняя математическую операцию. К ошибочной обработке псевдослучайных кодов могут привести электрические помехи.

В-третьих, это «ошибки многолучевости», возникающие вследствие многократного переотражения сигналов спутников от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадут на антенну приемника. В результате сигнал спутника не всегда приходит к приемнику по прямой, а совершает «окольный путь».

Все эти источники погрешностей придают каждому измерению в некоторую неопределенность.

Точность местоопределения при прочих одинаковых условиях зависит и от того, какие именно спутники из числа находящихся в прямой видимости используются в качестве «рабочих». В зависимости от их взаимного расположения геометрические соотношения, характеризующие его, могут многократно увеличивать или уменьшать погрешности местоопределения.

В таблице 1 приведены основные источники ошибок и относительные погрешности измерений.

Исходя из этого, хорошие приемники обеспечиваются специальными вычислительными программами, которые, анализируя относительные положения всех доступных для наблюдения спутников, выбирают из них четыре наилучшим образом расположенные, для которых погрешность минимальна.

Таким образом, поскольку каждое измерение содержит в себе небольшую неопределенность, ранее четкие окружности на рисунках следует изобразить размытыми.

Поэтому то, что ранее было конкретной точкой местоположения X, теперь превращается в небольшой четырехугольник, и мы можем лишь утверждать, что находимся где-то внутри него.

 Дифференциальный режим

определения местоположения объектов

 

Как следует из изложенного, погрешности навигационных измерений подразделяются на два класса: случайные и систематические.

К настоящему времени случайную компоненту общей погрешности навигационных определений удалось снизить до такого уровня, что определяющей в погрешности навигационных определений в основном является ее систематическая составляющая.

Среди основных источников систематических погрешностей можно назвать три. Это погрешности:

- эфемерид навигационных спутников;

- вызванные расхождением времени спутника и аппаратуры потребителя;

- обусловленные ионосферной и тропосферной рефракцией.

Стремление к повышению точности навигационных измерений привело к разработке дифференциальных методов навигационных определений. На их основе были созданы системы спутниковой навигации, работающие в дифференциальном режиме с коррекцией навигационных определений.

Суть режима состоит в том, что систематические погрешности за сеанс навигационных измерений предполагаются постоянными. Кроме того, имеется возможность в результате сеанса определять координаты некоторой контрольной станции, значения которых априорно известны с достаточно высокой точностью.

Поправки, определенные на контрольной станции, приписываются систематической составляющей навигационных измерений. В дальнейшем они используются в качестве корректирующих для навигационных измерений по тем же спутникам системы.

Важно подчеркнуть, что помимо повышения точности обычного режима использования космической навигационной системы дифференциальный режим помогает сохранить заданную точность измерений в случае нарушения ее функционирования.

Это может произойти по разным причинам. Например, вследствие выхода из строя элементов наземного комплекса управления космическим аппаратом, смещения по каким-либо причинам спутника относительно запрограммированной орбиты, в случае незапланированного сдвига бортовой шкалы времени, а также при сокращении орбитальной системы из-за выхода из строя отдельных спутников.

Рис.16. Общая схема организации дифференциального режима измерений

Применение дифференциального режима навигационных измерений может существенно (в десять раз) повысить точность определения местоположения. Представляется, что использование данного режима может быть весьма оправданным при проведении специальных операций и оперативных мероприятий, требующих особой точности при определении координат того или иного объекта (например, фиксация состояния обстановки на месте происшествия, расстановка сотрудников при проведении операции в ограниченном пространстве и т. п.).

Используя приемник дифференциального класса, один сотрудник может выполнить работу целой группы всего лишь за малую часть того времени, которое ей потребуется при обычных технике и методах. При осмотре места происшествия необходимо просто подойти к очередной точке на местности и нажать кнопку. Точные координаты (до сантиметра!) будут мгновенно зарегистрированы.

Достаточно сложной задачей на практике является передача дифференциальных поправок с контрольной станции на аппаратуру пользователя. Для этого нужны не только надежные линии связи, возникает необходимость их сопряжения с навигационной аппаратурой контрольной станции и аппаратурой пользователя для автоматизированной передачи информации.

Чтобы решить эти проблемы, были предложены варианты дифференциального режима, не требующие указанных линий связи. Таковыми стали автодифференциальная коррекция и коррекция с автономным прогнозом поправок.

Автодифференциальный способ коррекции навигационных измерений состоит в том, что сама аппаратура потребителя в стационарном положении выступает в качестве контрольной станции, а затем дифференциальные поправки используются в процессе движения объекта.

Дифференциальный режим навигационных определений может быть реализован различными методами. В свою очередь, выбранный метод определяет потенциальную точность режима и сложности его технического использования. Схема реализации метода дифференциального режима изображена на рисунке 20.

Рис.20 Схема реализации метода дифференциального режима

Принципы реализации методов таковы. На контрольной станции путем сравнения априорно известных точных и измеренных координат спутника определяются их разницы. Это и есть дифференцированные поправки, которые по какой-либо линии связи передаются на аппаратуру пользователя.

Здесь координаты, полученные в результате навигационных определений, исправляются.

Применение дифференциального режима навигационных измерений имеет цель устранения систематической составляющей специально выработанными поправками.

Систематические погрешности подразделяются на две группы. Первую группу составляют погрешности измерения навигационного параметра, вторую – погрешности привязки контрольной станции. Можно выделить отдельные источники погрешностей и оценить их вклад в общую погрешность навигационных определений (таб.2).

Погрешности измерения навигационного параметра вызываются неточным знанием эфемерид спутника, а также расхождением бортовых шкал времени спутников и погрешностями, обусловленными ионосферной и тропосферной рефракцией. Погрешности привязки контрольной станции определяются неточностью определения координат и уходом шкалы времени контрольной станции.

 

Рис. 21 Систематические погрешности

дифференциального режима навигационных определений

 

В таблице проиллюстрирован вклад отдельных составляющих в общую погрешность дифференцированного режима навигационных измерений.

Таблица 2

Составляющие общей погрешности дифференциального режима

навигационных измерений

Составляющие общей погрешности дифференцированного режима навигационных измерений	Вклад отдельных составляющих, %
Погрешности эфемерид спутника	1
Погрешности бортовых шкал времени спутников	0
Погрешности за счет ионосферной и тропосферной рефракции	4
Погрешности определения места контрольной станции	24
Расхождение шкал времени контрольной станции и космической навигационной системы	0
Случайные некоррелированные погрешности	71

 

Видно, что после компенсации систематических погрешностей основное содержание погрешности измерений составляют погрешности координат контрольной станции и случайные некоррелированные погрешности измерений.