Супутникові навігаційні системи

Супутниковими навігаційними системами називаються системи, в яких радіонавігаційні точки розміщені на навігаційних штучних супутниках Землі (ШСЗ).

Навігаційні ШСЗ обертаються навколо Землі на відстанях від 600 до 36 000 км. Принцип навігаційних вимірювань за допомогою супутників полягає у тому, що якщо відомі положення декількох супутників та їх швидкість відносно Землі, то, визначаючи положення та швидкість літального апарата відносно цих супутників, можна визначити його положення та швидкість польоту відносно земної поверхні. Визначення координат та швидкості супутників виконується за допомогою стаціонарних наземних контрольно-вимірювальних пунктів. На сьогоднішній день розгорнуті та експлуатуються космічні навігаційні системи «Навстар» (США), «Галілео» (ЄС) та «Глонасс» (Росія). До супутникової навігаційної системи «Навстар» входять: мережа з 24-х ШСЗ, наземний комплекс управління і бортове навігаційне обладнання на літальних апаратах. Орбіти ШСЗ кругові з періодом обертання 12 годин та висотою над земною поверхнею 20 183 км.

Наземний командно-вимірювальний комплекс має у своєму складі:

– чотири слідкувальні станції;

– коригуючу станцію;

– головну станцію управління.

Слідкувальні станції розміщуються на великих відстанях одна від одної (острів Гуам, Гавайські острови, Аляска, Каліфорнія). Коригуюча та головна станції розміщуються на території США.

Бортове обладнання ШСЗ має два радіопередавачі, які працюють на частотах 1 575 МГц (λ = 19 см) та 1 227 МГц (λ = 24 см). Випромінювання бортових радіопередавачів виконується сигналами з фазовою модуляцією. Цими сигналами передається ефемерідна інформація і сигнали точного часу. Сигнали несучих та модулюючих частот утворюються з коливань бортового атомного еталона зі стабільністю 10^–13.

Ефемерідною називається передобчислювальна інформація про значення координат та швидкості супутників. Ефемерідна інформація розраховується та прогнозується наземними вимірювальними комплексами.

Результати прогнозування передаються на борт супутників і запам’ятовуються. Далі виконується вибірка прогнозованих значень координат та швидкості супутників, які відносяться до відповідних моментів часу (наприклад до початку кожної хвилини) і випромінювання сигналів з цими параметрами. На борту літального апарата виконується приймання і реєстрація цих ефемерід для подальшого використання у навігаційних розрахунках.

Положення літального апарата відносно супутників може визначатися далекомірним, різницево-далекомірним і доплерівськими методами. Крім цього можуть використовуватися і, так звані, псевдодалекомірні методи, в яких дальність до супутників визначається без запиту від літального апарата.

Навігаційні обчислення координат літального апарата виконуються розв’язанням системи

,

де x, y, z – прямокутні координати ЛА; x_ci, y_ci, z_ci – координати i -го супутника; R_i – відстань до i -го супутника, яка вимірюється за допомогою радіонавігаційної системи; i = 1, 2, 3.

При вимірюваннях за трьома супутниками одночасно утворюється система з трьома невідомими. Якщо відомі координати трьох супутників, то, розв’язавши три рівняння, можна отримати координати літального апарата.

За далекомірними вимірюваннями можна також визначити швидкість літального апарата, для чого необхідно виконати двократне вимірювання трьох дальностей і диференціонування вищенаведених рівнянь для координат літального апарата. Оскільки на борту літального апарата визначається висота польоту, то можна визначити його координати за допомогою інформації від двох супутників, а третє рівняння утворюється на борту літального апарата і має вигляд

,

де R _З – радіус Землі (6 370 км); Н _п – висота польоту літального апарата.

Якщо застосовується псевдодалекомірний метод, то використовується система нелінійних рівнянь, які подібні до розглянутих вище.

Точність визначення координат літального апарата за допомогою супутникової системи навігації залежить від точності даних про параметри руху супутників, точності прогнозування, точності радіотехнічних вимірювань, геометричних умов нагляду за ШСЗ. Методичні похибки вимірювань дальності до супутників виникають через несталість швидкості поширення радіохвиль і багатопроменевість поширення хвиль. Величина похибки залежить також від дії завад на навігаційну систему, потужності передавачів та спрямованості антен на супутниках.

Бортовою апаратурою супутникової навігації вітчизняного виробництва є апаратура СН-3301, яка встановлюється на літаках транспортної авіації, і апаратура СН-3307, яка встановлюється при модернізації бойових літаків (Су-25, Су-27 та ін.).

До складу бортової апаратури СН-3301 входять блок прийомо-індикатора і управління, блок сполучення і антенний блок (рис. 4.67).

Бортова апаратура супутникової навігації призначена для приймання високочастотних кодованих сигналів координат супутників, сигналів висоти і часу, їх перетворення та декодування й обчислення координат літака і шляхової швидкості. Апаратура дозволяє також виконувати програмований політ за поворотними пунктами маршруту з видачею до системи автоматичного управління літака сигналів управління. Розраховані навігаційні параметри видаються на індикацію до багатофункціонального індикатора, світлового табло і пілотажно-навігаційного приладу.

 

 

 

Рис. 4.67. Зовнішній вигляд апаратури СН-3301

 

Загальна структурна схема супутникової системи навігації СН-3301 наведена на рис. 4.68.

 

 

Рис. 4.68. Структурна схема супутникової системи навігації СН-3301

 

Сигнали від супутників приймаються антенним блоком та подаються до блока прийомоіндикатора і управління (БПІУ) для перетворення. До БПІУ надходять також навігаційні дані про маршрут польоту (координати поворотних пунктів маршруту та аеродромів). За допомогою БПІУ та блока сполучення (БС) виконується розрахунок координат літака та навігаційних параметрів для виконання польоту: заданий шляховий кут, відхилення від лінії заданого шляху (ЛЗШ), залишкова дальність до поворотної навігаційної точки (НТ) (D_НТ) і сигнали управління літаком для системи автоматичного управління (САУ). До багатофункціонального індикатора надходять дані про поточні координати літака та координати навігаційних точок. Від системи повітряних сигналів до БПІУ та БС надходять сигнали барометричної висоти та повітряної швидкості. Від курсової системи надходять сигнали гіромагнітного курсу.

Бортова апаратура космічної навігації постійно вдосконалюється, створюються її модифікації (наприклад СН-3301 RNP), що дозволяє широко її застосовувати у бортовому навігаційному обладнанні.

Бортова апаратура СН-3307 призначена для обчислення та видачі до систем літака навігаційних параметрів і сигналів, необхідних для визначення координат літака й управління ним.

Апаратура СН-3307 забезпечує:

– виконання польоту за заданим маршрутом та захід на посадку;

– вибір поворотних пунктів маршруту (ППМ), цілей та аеродромів від пульта управління СН-3307 або від пульта управління бортового обладнання РСБН;

– введення та збереження координат ППМ, аеродромів та оперативних цілей;

– оперативне збереження поточних навігаційних параметрів літака;

– виконання режиму повергнення на аеродром посадки;

– видачу навігаційної інформації до навігаційних приладів ПНП, НПП, КПП;

– видачу керуючих сигналів до САУ;

– видачу інформації до авіаційної системи прицілювання (АСП) для виконання навігаційного бомбометання.

До складу обладнання СН-3307 (рис. 4.69) входять: антенний блок (1), блок клавіатури (2), блок сполучення з САУ (3), блок прийомообчислювачів (4), блок комутації САУ (5), пульт управління (6), блок управління (7) і блок індикації (8). Крім цього, в кабіні літака встановлені вимикач з трафаретом ПИТ.СН, перемикач СН-КН, перемикач КОНТР.СН, кнопка ПРИВЯЗКА і сигнальна лампа відмови з трафаретом СН.

Основні тактико-технічні дані апаратури СН-3307

Діапазон робочих частот метрових хвиль ………….…..…1 570…1 610 МГц

Довжина хвилі…………………………………………………..…... 18…19 см

Кількість частотних каналів……………………………….…….…….……. 14

Об’єм пристрою зберігання інформації:

а) кількість ППМ………………………………...…….…...…….…….400

б) кількість аеродромів ………………………………….….………….90

в) кількість оперативних цілей …………………………..……………10

Час готовності від моменту вмикання

апаратури до отримання координат…………………………...….………10 хв

Похибки визначення поточних навігаційних параметрів:

а) координат місця літака при автономних визначеннях:

– за «GPS» ………………………………………….….……....…..100 м

– за «ГЛОНАСС» …………………………………………..…….28 м

б) координат місця літака у диференційному

режимі «GPS/ГЛОНАСС»............................................................................................................10 м

в) окремих ортодромічних координат ………………………….….100 м

г) висоти польоту літака при автономних визначеннях за:

– «GPS»……………………………………...………………...….150 м

– за «ГЛОНАСС» ………………………………………….…..… 60 м

д) висоти польоту літака у диференційному

режимі «GPS/ ГЛОНАСС»…………………………………………………......….15 м

е) шляхової швидкості ……………………………………..….….. 0,2 м/с

ж) курсу літака ……………………………………………..………… 0,5^о

и) відхилення від лінії заданого шляху …………………...…...…..100 м

к) формування мітки часу за шкалою UTC …………….……...….100 нс

Електроживлення забезпечується від бортової мережі постійного струму напругою +27 В. Бортова апаратура має потужність споживання 50 Вт та масу комплекту 12 кг.

 

 

Рис. 4.69. Зовнішній вигляд апаратури СН-3307

Апаратура СН-3307 має такі режими роботи: тест, навігаційний, диференційний, зчислення і екстраполяція.

Апаратура СН-3307 забезпечує незалежне паралельне її функціонування та бортової системи навігації літака. Перемикання з однієї системи на іншу у будь-який момент часу виконується льотчиком.

 

Принцип дії

Принцип дії СН-3307 пояснюється за допомогою структурної схеми, яка зображена на рис. 4.70.

Антенний блок, має мікросмугову антену з круговою діаграмою спрямованості. Він приймає сигнали штучних навігаційних супутників систем «Навстар – GPS» та «Глонасс», підсилює та фільтрує їх. Підсилений сигнал по коаксіальному кабелю надходить до блока прийомообчислювачів, до складу якого входять приймач GNSS та системний адаптер. Прийомообчислювальний блок призначений для аналогової і цифрової обробки сигналів, що надходять від антенного блока.

Визначення навігаційних параметрів виконується, якщо приймаються сигнали менше ніж 5-ти супутників однієї із навігаційних супутникових систем або від 6-ти супутників систем «Навстар – GPS» та «Глонасс» у будь-якій конфігурації. Розраховані у прийомообчислювальному блоці навігаційні параметри подаються до блока управління, в якому виконується обробка отриманої інформації, яка полягає в розрахунку необхідних за режимами навігаційних параметрів. Отримані навігаційні параметри надходять до блока індикації, що має дисплей для відображення параметрів.

Обчислені навігаційні параметри від виходу блока управління через блоки сполучення та комутації САУ подаються до навігаційних пілотажних приладів НПП і КПП. На приладі НПП відображаються такі параметри: поточний та заданий курси, відхилення від лінії заданого шляху «Z» та відхилення від заданої висоти «ΔН». На приладі КПП відображаються сигнали відхилень ε_к , ε_г .

Апаратура СН-3307 має такі органи управління:

– перемикач СН-КН для перемикання індикації курсу поточного і заданого, «ΔН», «Z» на НПП та КПП від СН-3307 або від навігаційного комплексу літака КН-23;

– вимикач КОНТР. СН для перемикання режимів роботи;

– вимикач ПИТ. СН для вмикання електроживлення (напруги +27 В);

– кнопка привязка для оперативного запам’ятовування координат шляхової точки.

Крім названих органів управління на пульті управління встановлені кнопки для управління режимами роботи та здійснення контролю працездатності апаратури.

 

 

 

Рис. 4.70. Структурна схема бортової апаратури супутникової системи навігації СН-3307

Питання для самоконтролю

1. Назвати призначення та основні тактико-технічні дані наземної радіостанції Р-845М.

2. Назвати призначення та основні тактико-технічні дані наземної радіостанції Р-161А1.

3. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі ДПРС ПАР-10.

4. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі БПРС ПАР-10.

5. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі курсового радіомаяка системи ПРМГ-5.

6. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі глісадного радіомаяка системи ПРМГ-5.

7. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі наземних РЛС П-37 та П-18.

8. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі наземних радіовисотомірів ПРВ-13 та ПРВ-16.

9. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі диспетчерського радіололокатора (ДРЛ) системи РСП-6М2.

10. Назвати призначення, основні тактико-технічні дані та розміщення на аеродромі посадкового радіололокатора (ДРЛ)системи РСП-6М2.

11. Назвати призначення і склад обладнання ВІСП-75Т.

 

 

РОЗДІЛ 5