Спутниковые навигационные системы

Алматы 2016

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА АЛМАТЫ

АО «Академия Гражданской Авиации»

Авиационный колледж

РАССМОТРЕНО на заседании ЦМК __________________ (наименование дисциплин) «___»_________201__г. протокол №___ Председатель ЦМК_____ А.Болысбекова

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора по УМР ______ Б. Дудкина «___» ________ 201__ г.

 

Задание на

Курсовую работу

 для дневного отделения  для заочного отделения

по дисциплине Радионавигационные автоматические системы организации воздушного транспорта

(наименование)

специальность 1310000 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования (воздушный транспорт)»

(шифр, наименование специальности)

на тему: Спутниковые методы радионавигации

 

 

Разработал преподаватель__________________С. Дисенгалиева

 

 

1. Рассчитать угловой и линейный диаметры зоны видимости ИСЗ, движущегося на высоте 20 тыс. км, если минимальное значение угла места, под которым возможно его наблюдение, 5°.

 

2. Рассчитать длину отрезка круговой орбиты, попадающего в зону видимости ЛА, и продолжительность полета в ней для условий предыдущей задачи, если угловое расстояние плоскости орбиты от ЛА составляет 15°.

 

3. Определить угловое перекрытие соседних зон видимости восьми ИСЗ, располагающихся на круговой орбите высотой 20 тыс. км.

 

4. Рассчитать минимальное угловое перекрытие соседних зон видимости ИСЗ, обращающихся на разных орбитах, если спутники навигационной системы расположены на трех равноудаленных полярных орбитах высотой 20 тыс. км.

 

5. Определить поправки к с числимым координатам ЛА по результатам измерения дальностей до двух ИСЗ, азимуты и углы места которых равны соответственно 10°, 120° и 30°, 10°, а разности с числимых и измеренных дальностей составляют 1 и 5 км.

 

Основные вопросы:

1.Главный принцип измерения в СНС.

2.Количество спутников в СНС.

3.Высота расположения спутников.

4. Зоны видимости ИСЗ.

 

 

Содержание:

1. Введение

2. Спутниковые методы радионавигации

3. Главный принцип измерения в СНС.

3.1. Количество спутников в СНС.

3.2. Высота расположения спутников.

3.3. Зоны видимости ИСЗ.

4. Задание

5. Заключение

6. Литература

 

Спутниковые навигационные системы

Глобальные спутниковые навигационные системы относятся к классу многопозиционных РНС (радионавигационных спутников) и предназначены для определения пространственного местоположения и направления движения потребителей в пределах или большей части поверхности Земли. Возможны также региональные СНС (спутниковые навигационные системы), обслуживающие ограниченные территории. Для авиационных целей представляют интерес СНС, обеспечивающие непрерывное определение пространственного местоположения летательного аппарата (ПМЛА).

Основу СНС составляет сеть (созвездие навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), выполняющих функцию опорных радионавигационных точек (РНТ), отношение которых измеряет навигационные параметры. Конфигурация созвездия и число М ИСЗ выбираются из условий получения требуемой зоны для СНС, избыточного числа видимых спутников в точке приема (для выбора подходящих по геометрическому фактору рабочего созвездия), удобства управления системой и наименьшего влияния возможного движения спутника факторов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;

Проще говоря, это есть информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

На сегодняшний день самыми значительными являются следующие спутниковые навигационные системы:

· NAVSTAR (GPS) — принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

· ГЛОНАСС — находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

· Бэйдоу — развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

· Galileo — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстоянии 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 приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения, и если он не устарел – мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем 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.

Применение методов определения местоположения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС для радионавигационных целей началось в Казахстане в 90-х годах прошлого века. Выявились их существенные преимущества по сравнению с традиционными радионавигационными методами. К ним относятся широкий диапазон точностей (от десятков метров до миллиметров на расстояниях в тысячи километров), независимость от погоды, времени суток и года, от взаимной видимости между пунктами, высокая автоматизация и, как следствие, оперативность, возможность работы непрерывно и в движении. Главным преимуществом явилась возможность позиционирования в трехмерном пространстве.

Вместе с тем применение спутниковых методов на практике выявило ряд недостатков: зависимость от препятствий, уязвимость от радиопомех, дорогое оборудование, но особенно необходимость в кардинальной корректировке теории и практики проведения геодезических работ с учётом нового подхода к координатным преобразованиям результатов спутниковых наблюдений.

В связи с этим для повышения эффективности применения спутниковых радио навигационных систем (СРНС) требовалось решение следующих задач:

-подготовка кадров высокой квалификации, способных обеспечить высокое качество выполнения работ по спутниковому позиционированию объектов местности, пунктов радионавигационных сетей различного назначения;

- разработка и выпуск аппаратуры и программного обеспечения;

-усовершенствование (модернизация) космических аппаратов, системы слежения и обработки траекторных измерений (наземный сегмент СРНС).

Выполнение этих задач было невозможно без решения проблем методологического и технологического обеспечения спутникового метода. Для Казахстана это было особенно важно, поскольку подавляющая часть аппаратуры и программного обеспечения до последнего времени поступала к нам из-за рубежа. Техническая документация к ним обычно ограничивалась описанием возможных опций без приведения какой-либо теории.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д. Спутниковые системы работают только в УКВ-диапазоне.

Зоны видимости ИСЗ

Понятие зоны видимости ИСЗ, под которым следует понимать часть поверхности Земли, с которой ИСЗ веден под углом места больше некоторой минимально допустимой величины (например 5°) в течении в заданной длительности сеанса связи; под мгновенной зоной видимости понимается зона видимости в определенный момент, т.е. при нулевой длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона перемещается, и поэтому зона видимости в течении некоторого времени всегда меньше мгновенной, так как представляет собой внутреннюю огибающую мгновенных зон.

Зона покрытия спутника — часть поверхности земного шара (или часть зоны видимости), в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от спутника, необходимый для их приема с заданным качеством, а также гарантируется способность приема на входе ИСЗ сигналов от земной станции, обладающей определенными параметрами.

ЗОНА ПОКРЫТИЯ зависит от таких параметров как позиция спутника на орбите (необязательно геостационарной), диаграммы направленности транспондеров, и мощности передатчика.

Виды зон покрытия спутника:

· глобальные (вся видимая с ИСЗ часть поверхности Земли при малой неравномерности усиления бортовой антенны. Ширина луча антенны ИСЗ при этом составляет 17,4° для угла прихода 0°);

· полуглобальные;

· зональные.

Рассмотрим спутник на геостационарной орбите, высота которой составляет 36000 км. А проекция орбиты проходит над экватором. (Рис. 1)

 

параметр, способ	СРНС ГЛОНАСС	GPS NAVSTAR	TEN GALILEO	BDS COMPASS
Число НС (резерв)	24 (3)	24 (3)	27 (3)	30 (5)
Число орбитальных плоскостей				нет данных
Число НС в орбитальной плоскости				нет данных
Тип орбит	Круговая (e=0±0.01)	Круговая	Круговая	Круговая
Высота орбиты, КМ
Наклонение орбиты, градусы	64.8±0.3	~55 (63)		~55
Номинальный период обращения по среднему солнечному времени	11 ч 15 мин 44 ± 5 с	~11 ч 58 мин	14 ч 4 мин. и 42 с.	нет данных
Способ разделения сигналов НС	Кодово-частотный (кодовый на испытаниях)	Кодовый	Кодово-частотный	нет данных
Несущие частоты радиосигналов, МГц	L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5	L1=1575.42 L2=1227.60 L5=1176.45	E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75	E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75
Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код)	50 зн/с (50Гц)	50 зн/с (50Гц)	25, 50, 125, 500, 100 Гц	нет данных
Длительность суперкадра, мин	2.5	12.5		нет данных
Система отсчета времени	UTC (SU)	UTC (USNO)	UTC (GST)	UTC (-)

 

Вывод

К настоящему времени решены многие проблемы, препятствовавшие определению положений в глобальном масштабе на уровне точности в несколько миллиметров: разработаны высокоточные инерциальные и общеземные системы отсчета, модели геодинамических и геофизических явлений, реализована теория построения высокоточных орбит.

Большой прогресс достигнут в разработке методов разрешения неоднозначности фазы, восстановления потерь счета циклов, учета влияния тропосферы, ионосферы, объединения ГЛОНАСС и GPS измерений.

Можно непрерывно получать координаты приемника, установленного неподвижно или на движущейся платформе, производя мониторинг.

В данной курсовой работе я рассмотрел абсолютный метод спутниковых определений. В частности, как определять координаты по кодовым псевдодальностям. Также рассмотрел решение системы уравнений и коэффициенты потери точности, источники ошибок. В следующей части рассмотрим конкретные определения координат пунктов абсолютным методом.

Алматы 2016

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА АЛМАТЫ

АО «Академия Гражданской Авиации»

Авиационный колледж

РАССМОТРЕНО на заседании ЦМК __________________ (наименование дисциплин) «___»_________201__г. протокол №___ Председатель ЦМК_____ А.Болысбекова

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора по УМР ______ Б. Дудкина «___» ________ 201__ г.

 

Задание на

Курсовую работу

 для дневного отделения  для заочного отделения

по дисциплине Радионавигационные автоматические системы организации воздушного транспорта

(наименование)

специальность 1310000 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования (воздушный транспорт)»

(шифр, наименование специальности)

на тему: Спутниковые методы радионавигации

 

 

Разработал преподаватель__________________С. Дисенгалиева

 

 

1. Рассчитать угловой и линейный диаметры зоны видимости ИСЗ, движущегося на высоте 20 тыс. км, если минимальное значение угла места, под которым возможно его наблюдение, 5°.

 

2. Рассчитать длину отрезка круговой орбиты, попадающего в зону видимости ЛА, и продолжительность полета в ней для условий предыдущей задачи, если угловое расстояние плоскости орбиты от ЛА составляет 15°.

 

3. Определить угловое перекрытие соседних зон видимости восьми ИСЗ, располагающихся на круговой орбите высотой 20 тыс. км.

 

4. Рассчитать минимальное угловое перекрытие соседних зон видимости ИСЗ, обращающихся на разных орбитах, если спутники навигационной системы расположены на трех равноудаленных полярных орбитах высотой 20 тыс. км.

 

5. Определить поправки к с числимым координатам ЛА по результатам измерения дальностей до двух ИСЗ, азимуты и углы места которых равны соответственно 10°, 120° и 30°, 10°, а разности с числимых и измеренных дальностей составляют 1 и 5 км.

 

Основные вопросы:

1.Главный принцип измерения в СНС.

2.Количество спутников в СНС.

3.Высота расположения спутников.

4. Зоны видимости ИСЗ.

 

 

Содержание:

1. Введение

2. Спутниковые методы радионавигации

3. Главный принцип измерения в СНС.

3.1. Количество спутников в СНС.

3.2. Высота расположения спутников.

3.3. Зоны видимости ИСЗ.

4. Задание

5. Заключение

6. Литература

 

Спутниковые навигационные системы

Глобальные спутниковые навигационные системы относятся к классу многопозиционных РНС (радионавигационных спутников) и предназначены для определения пространственного местоположения и направления движения потребителей в пределах или большей части поверхности Земли. Возможны также региональные СНС (спутниковые навигационные системы), обслуживающие ограниченные территории. Для авиационных целей представляют интерес СНС, обеспечивающие непрерывное определение пространственного местоположения летательного аппарата (ПМЛА).

Основу СНС составляет сеть (созвездие навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), выполняющих функцию опорных радионавигационных точек (РНТ), отношение которых измеряет навигационные параметры. Конфигурация созвездия и число М ИСЗ выбираются из условий получения требуемой зоны для СНС, избыточного числа видимых спутников в точке приема (для выбора подходящих по геометрическому фактору рабочего созвездия), удобства управления системой и наименьшего влияния возможного движения спутника факторов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;

Проще говоря, это есть информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

На сегодняшний день самыми значительными являются следующие спутниковые навигационные системы:

· NAVSTAR (GPS) — принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

· ГЛОНАСС — находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

· Бэйдоу — развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

· Galileo — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстоянии 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 приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения, и если он не устарел – мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем 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.

Применение методов определения местоположения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС для радионавигационных целей началось в Казахстане в 90-х годах прошлого века. Выявились их существенные преимущества по сравнению с традиционными радионавигационными методами. К ним относятся широкий диапазон точностей (от десятков метров до миллиметров на расстояниях в тысячи километров), независимость от погоды, времени суток и года, от взаимной видимости между пунктами, высокая автоматизация и, как следствие, оперативность, возможность работы непрерывно и в движении. Главным преимуществом явилась возможность позиционирования в трехмерном пространстве.

Вместе с тем применение спутниковых методов на практике выявило ряд недостатков: зависимость от препятствий, уязвимость от радиопомех, дорогое оборудование, но особенно необходимость в кардинальной корректировке теории и практики проведения геодезических работ с учётом нового подхода к координатным преобразованиям результатов спутниковых наблюдений.

В связи с этим для повышения эффективности применения спутниковых радио навигационных систем (СРНС) требовалось решение следующих задач:

-подготовка кадров высокой квалификации, способных обеспечить высокое качество выполнения работ по спутниковому позиционированию объектов местности, пунктов радионавигационных сетей различного назначения;

- разработка и выпуск аппаратуры и программного обеспечения;

-усовершенствование (модернизация) космических аппаратов, системы слежения и обработки траекторных измерений (наземный сегмент СРНС).

Выполнение этих задач было невозможно без решения проблем методологического и технологического обеспечения спутникового метода. Для Казахстана это было особенно важно, поскольку подавляющая часть аппаратуры и программного обеспечения до последнего времени поступала к нам из-за рубежа. Техническая документация к ним обычно ограничивалась описанием возможных опций без приведения какой-либо теории.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д. Спутниковые системы работают только в УКВ-диапазоне.