Отечественные системы навигации и глобального позиционирования

Введение

Последнее время достижения физиков доходят до обыкновенных пользователей значительно быстрее, чем это было раньше. Электроника находится на таком уровне, что позволяет создать в спичечном коробке микрокомпьютер, по мощности не уступающий обыкновенной настольной машине. В космосе находятся сотни спутников, которые выполняют самые разнообразные задачи. Отрадно видеть, что все большие число достижений человеческой мысли начинают служить людям, а то, что всего несколько лет назад работало на военных, рассекречивается. Безусловно, одна из таких разработок - глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС).

Долгие годы эта система работала исключительно для военных целей. Иногда люди в погонах делились ею с топографами и моряками. Однако, в полном объеме ее услуги стали доступны обыкновенным гражданам лишь несколько лет назад. В этом обзоре мне хочется рассказать вам об основных принципах работы этой системы. Тем, кто в прошлом интересовался радиолокацией, будет достаточно просто понять его.

Подчас, даже не осознавая того, мы нуждаемся в том, чтобы определить место своего нахождения. В большинстве случаев абсолютная координата нас не тревожит, а вот относительная величина смещения от вполне определенного объекта важна. Однако, для ее вычисления необходимо знание именно абсолютных координат. Их и позволяет получить прибор, который в простонародье называется GPS.

Вы можете заметить, что если знать не только координаты, но и моменты времени, в которые они измерены, то можно говорить не только о простых измерениях длин. Действительно, при современном уровне развития электроники можно создать вполне портативный и мобильный прибор, который сможет соотносить такие величины, как время и координаты. Система глобального позиционирования позволяет получать данные о смещении одной точки на поверхности земли от другой. Для таких вычислений прибор должен иметь запоминающее устройство. В нем может храниться информация о местоположении этого прибора ранее, и тогда не составит больших проблем по вычислению сдвига между точкой настоящего и отложенной в памяти прибора. Либо данные о некотором объекте, информация о котором записана в прибор ранее. Например, координаты города Рима. У вас сразу может возникнуть вопрос: "Не есть ли расстояние хорда?". Ответ на этот забавный вопрос может дать исключительно разработчик. Безусловно, для путешественника важно расстояние, которое пройдут его ноги или проедут колеса его автомобиля, а не искусственные цифры о кротчайшей дистанции. С другой стороны заложить в память прибора данные о всем рельефе земного шара задача не реальная. Плюс к этому вычисления станут очень громоздкие. Поэтому в большинстве случаев расчеты ведутся из соображений того, что земля имеет форму шара (хотя и это не так).

Погрешность, полученная при таком вычислении, очень существенная, так как точность современных приборов глобального позиционирования составляет 10-20 сантиметров. Кроме горизонтальной координаты система глобального позиционирования позволяет определять вертикальную координату, или высоту над уровнем моря. Иногда пользователи не знают, что такое "высота над уровнем моря". Предлагаю в первую очередь вспомнить о том, что это такое. Тем более мы можем гордиться тем, что эта величина напрямую связана с нашей страной. Итак, близ славного города Санкт-Петербург есть не менее славный город Кронштадт. Это островной населенный пункт. Издавна на нем находилась морская крепость и порт. Приливы и отливы в этом месте гораздо меньше, чем в других морях, заливах, океанах и т.д. Поэтому именно на пристани этого города сделали заметку, от которой весь мир меряет уровень - высоту над уровнем моря. Система глобального позиционирования позволяет измерить ее. Точность определения этой величины несколько ниже, чем для измерения горизонтальной координаты. Погрешность составляет около 10 метров.

Практически все приборы системы глобального позиционирования имеют устройства памяти. Это позволяет измерять не только высоту над уровнем моря, но и относительную высоту объектов. Эта функция делает подобные устройства незаменимыми для альпинистов. Однако, погрешность в 10 метров в этом виде спорта недопустима. Поэтому старайтесь найти такое место, где количество спутников, сигнал от которых поступает на прибор глобального позиционирования, максимально. В этом случае погрешность будет существенно меньше. Система глобального позиционирования может заменить обыкновенный магнитный компас. Для ее работы достаточно информации, передаваемой со спутников. Опираясь на данные о нахождении различных частей света, или, точнее говоря, расположении прибора относительно их, можно делать самые различные вычисления. Функция компаса приятно дополняет все остальные возможности прибора, но немного отходит в тень.

Глава 1. История развития НС

«Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически полувековую историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Со­ветском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Зем­ли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.» (3)

Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.

«Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий. Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструк­торским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, по­лучившей в дальнейшем название "Цикада". В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поко­ления "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распреде­лением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в сред­нем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности нави­гационного сеанса до 5-6 мин.» (2)

«В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенст­вованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной ап­паратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопро­сам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначенной специ­ально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собст­венных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в на­стоящее время на интервале суточного прогноза величину примерно 70-80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего ме­стоположения уменьшилась до 80-100 м.» (2)

«Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы прием­ной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедст­вия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками систе­мы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где про­изводится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самоле­тов и др.).

Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-ка­надской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигацион­ных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутни­ковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навига­ционной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потре­бителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и косми­ческих кораблей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечи­вать потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных координат беззапросным методом требу­ется проведение измерений навигационного параметра не менее чем до четы­рех спутников, при этом одновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных
часов относительно шка­лы времени спутниковой системы.» (3)

«ИСходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиовидимость потребителей, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутников, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и к уменьшению необходимого количества спутников в системе). Для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников, их количество в системе должно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность.» (3)

«Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекуд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10-15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времен потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1•10 в 13 степени и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1•10 в 14 степени, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3 ... 5 нс.

С помощью этих средств и специального математического обеспечения производится определение расхождений бортовых шкал времени с наземной шкалой и их прогнозирование для каждого спутника системы. Результат прогноза в виде поправок к спутниковым часам относительно наземных закладываются на соответствующие спутники и передаются ими в составе цифровой информации навигационного сигнала. Потребителями таким образом устанавливается единая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системы не превышает 15-20 нс.» (2)

«Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной систем является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников.

Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутников потребовало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок газоотделением материалов покрытий.
Для экспериментального определения параметров геопотенциала на орбиты навигационных спутников были запущены два пассивных ИзС "Эталон ("Космос-1989" и "Космос-2024"), предназначенных для измерения параметров их движения высокоточными квантово-оптическими измерительным средствами. Благодаря этим работам достигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30 ч составляет: вдоль орбиты — 20 м; по бинормали к орбите — 10 м; по высоте 5 м (СКО).» (2)

«Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. за­пуском спутника "Космос-1413"..."

В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штат­ного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие усилия по поддержанию группировки.

Разработаны самолетная аппаратура АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РшрВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.

Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление сис­темами являются Военно-космические силы РФ.
В рассматриваемый период времени в США также проведены интенсив­ные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколения атом­ных ракетных подводных лодок "Полярис" была создана система "Транзит" (аналог СРНС "Цикада"), введенная в строй в 1964 г. В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго поколе­ния — ОР5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутни­ковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993 г.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. основными направлениями дальнейших работ являются:

• модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутника ГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять лет и более, вместо трех в настоящее время) и более высокими техническими характери­стиками, что позволит повысить надежность и точность системы в целом;
• внедрение технологии спутниковой навигации в отечественную эконо­мику, науку и технику, а также создание нового поколения навигационной аппаратуры потребителей, станций дифференциальных поправок и контроля целостности;
• разработка и реализация концепции российской широкозонной дифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры Военно-космических сил ее взаимодействия с ведомственными региональными и локальными дифференциальными подсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;
• развитие сотрудничества с различными международными и зарубежными организациями и фирмами в области расширения использования возможностей навигационной системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей;
• решение вопросов, связанных с использованием совместных навигационных полей систем ГЛОНАСС и GPS в интересах широкого круга потребителей мирового сообщества: поиск единых подходов к предоставлен услуг мировому сообществу со стороны космических навигационных систем, согласование опорных систем координат и системных шкал времени; выработка мер по недопущению использования возможностей космических навигационных систем в интересах террористических режимов и группировок.

Работы в указанных направлениях ведутся в соответствии с требованиями, выдвигаемыми различными потребителями (воздушными, морскими речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими, землеустроительными и другими службами).» (1)

Глава 2. Радионавигационные системы наземного базирования

РНС LORAN-C и «ЧАЙКА»

«Разработка импульсно-фазовых, разностно-дальномерных радионавигационных систем с наземным базированием LORAN-C и «ЧАЙКА» была начата практически одновременно в конце 40-х и начале 50-х гг. по заказам военных ведомств США и СССР. Первоначально обе системы предназначались для навигационного обеспечения ударных сил авиации и военно-морского флота при решении ими боевых задач.

Высокие тактико-технические характеристики этих систем (см. таблицу) предопределили, начиная с 70-х гг., их массовое применение гражданскими потребителями подавляющего большинства стран мира для решения хозяйственно-экономических задач.» (7)

«Благодаря последовательной модернизации, направленной на повышение качественных характеристик и надежности излучаемого сигнала, на улучшение эксплуатационных показателей передающего оборудования, аппаратура передающих станций РНС LORAN-C и «ЧАЙКА» соответствует современному уровню развития радиоэлектроники, причем большинство станций РНС LORAN-C могут работать в полуавтоматическом режиме и на них требуется присутствие лишь дежурного оператора.» (7)

«В настоящее время ИФРНС LORAN-C продолжает обеспечивать навигацию гражданских и некоторых видов военных потребителей различных государств в море, воздухе и на суше. В мире в эксплуатации находятся 26 цепей РНС LORAN-С, каждая из которых содержит от 3 до 5 станций; некоторые станции работают одновременно в двух цепях.

Рабочие зоны цепей РНС LORAN-C перекрывают территории США и Канады и почти все побережье Североамериканского континента, Северную Атлантику, Скандинавию и Западную Европу, Северное и Норвежское моря, атлантическое побережье Франции и Восточную Атлантику, Средиземное море, центральный и северо-западный районы Тихого океана, большую часть побережья КНР, весь Аравийский полуостров, районы Ближнего Востока, Красного моря, Персидского залива, залив Аден, часть побережья шндии. Общая площадь рабочих зон цепей РНС LORAN-C превышает 95 млн кв. км.» (8)

«В России в рабочей эксплуатации находятся четыре цепи системы «ЧАЙКА»:

• Европейская, в составе пяти станций, три из которых расположены в районах городов Брянск (ведущая), Петрозаводск, Сызрань (Россия) и две - за пределами России - Слоним ( Республика Беларусь) и Симферополь (Украина);
• Восточная, в составе четырех станций, расположенных в районах городов Александровск-Сахалинский (ведущая), Петропавловск-Камчатский, Уссурийск и Охотск;
• на Севере России функционируют две цепи в составе пяти станций, расположенных в районах г. Дудинка (ведущая), пос. Таймылыр, о. Панкратьева, г.шнта (ведущая-ведомая) и п. Туманный, причем три станции одновременно работают в обеих цепях.

Общая площадь рабочих зон всех цепей РНС «ЧАЙКА» составляет около 20 млн кв. км.
Кроме того, в России имеются региональные цепи ИФРНС средней мощности.» (8)

«Завершены работы по созданию объединенной российско-американской цепи «ЧАЙКА»/LORAN-C в составе двух российских станций в районах городов Петропавловск-Камчатский и Александровск-Сахалинский и одной американской станции LORAN-C на о. Атту (США).

PHC LORAN-C остается самой распространенной системой с наземным
базированием: количество ее потребителей в мире в 1997 г. составляло около 1,3 млн, причем более половины находятся в США (морские - около 500 тыс., авиационные - около 130 тыс., наземные - около 30 тыс.)

К сожалению, номенклатура и объем выпускаемой отечественной приемоиндикаторной аппаратуры PHC «ЧАЙКА» в настоящее время недостаточны для удовлетворения требований многочисленных потребителей. По уровню технических решений отечественная приемоиндикаторная аппаратура не уступает зарубежной, однако ее элементная база отстает от зарубежного уровня. В настоящее время ведутся разработки новых образцов отечественных приемоиндикаторов PHC «ЧАЙКА»/LORAN-C.» (8)

Принцип действия и режимы использования сигналов ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА»
«Передающие станции ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА», излучающие группы (пачки) из восьми («ведомые» станции) или девяти («ведущие» станции) импульсов на несущей частоте 100 кГц, объединены в цепи - группы станций, излучающих синхронизированные импульсные сигналы с одинаковой частотой повторения.

Каждая цепь состоит из одной «ведущей» и двух-четырех «ведомых» передающих станций.

шнтервалы повторения пачек импульсов используются для опознавания цепей и уменьшения взаимных помех между ними. Значения интервалов повторения пачек изменяются от 40 000 до 99 990 мкс с дискретом 10 мкс. Классическим режимом использования сигналов ИФРНС является стандартный разностно-дальномерный (гиперболический) режим.

Этому режиму свойственны ограничения по точности и размерам рабочей зоны, обусловленные геометрическим фактором, зависящим от взаимного расположения передающих станций и потребителей. Поэтому в зависимости от задач и требований потребителей получили широкое распространение и другие режимы использования сигналов ИФРНС, а именно: режим работы с функционально равноценными станциями, дальномерный, дифференциальный режимы, режим одновременной работы со смежными цепями.

Режим работы с функционально равноценными станциями реализуется в бортовой аппаратуре потребителей с помощью специальных алгоритмов и позволяет повысить точность местоопределения. В данном случае ведущая станция рассматривается в алгоритме обработки сигналов как обычная ведомая.

Значительного (в 4-5 раз) повышения точности ИФРНС можно достичь, используя дифференциальный метод, к сожалению, лишь в локальных районах рабочей зоны. Этот метод основан на использовании мониторинга сигналов РНС LORAN-C/«ЧАЙКА» в фиксированной точке рабочей зоны с известными географическими координатами, благодаря чему разность времен (TD - time difference), определяемая приемоиндикатором контрольной станции, сравнивается с разностью времен, вычисляемой для этой точки. Результат сравнения этих данных дает поправку на распространение радиоволн, которая автоматически передается потребителям. Реализация дифференциального режима в системах LORAN-С/«ЧАЙКА» позволяет повысить точность местоопределения до 10-50 м в радиусе до 150-200 км от станции передачи поправок.» (7)

Высокие технические характеристики импульсно-фазовых РНС «ЧАЙКА» и LORAN-C и относительно небольшие эксплуатационные системные расходы предопределяют их эффективное применение в настоящем и будущем. Импульсно-фазовые РНС являются эффективным дополнением для спутниковых навигационных систем, гарантируя повышение доступности и целостности.

РСДН-20

«Фазовая радионавигационная система «Альфа» (также известная как Радиотехническая система дальней навигации или РСДН-20) — российская система дальней радионавигации. Она работает по тем же принципам, что и выведенная из эксплуатации Omega Navigation System в диапазоне очень низких частот. Система Альфа состоит из 3 передатчиков, которые расположены в районе Новосибирска, Краснодара, Комсомольска-на-Амуре. Эти передатчики излучают последовательности сигналов длительностью 3,6 с на частотах 11,905 кГц, 12,649 кГц и 14,881 кГц. Радиоволны на этих частотах отражаются от самых нижних слоев ионосферы и поэтому в меньшей степени подвержены затуханию в ионосфере (ослабление 3 дБ на 1000 км), однако фаза волны очень чувствительна к высоте отражения.» (9)

«Приёмник измеряет разность фаз сигналов от навигационных передатчиков и строит семейство гипербол. Подвижный объект всегда может определить своё местоположение, если не теряет способность слежения за сигналами навигационных передатчиков. Фаза волны зависит от высоты отражающих слоев ионосферы, а поэтому сезонные и суточные вариации могут быть скомпенсированы. Точность определения местоположения — не хуже 2 морских миль, однако на высоких широтах и в полярных районах, где могут возникать внезапные фазовые аномалии, точность снижается до 7 морских миль.» (9)

«Также как мачты антенн, используемые для системы навигации Omega, мачты «Альфы» должно быть очень высоки (возможно — самые высокие башни в России.» (9)

РНС МАРС-75

«РНС МАРС-75 - маневренная, автоматизированная РНС является фазовой многочастотной разностно-дальномерной системой с временной селекцией сигналов. Предназначена для определения места на расстояниях до 1.000 км от наземных станций с СКП 60-350 м в зависимости от геометрического фактора в любое время суток.

Состав РНС МАРС-75: 3+4 наземных взаимозаменяемых станции мобильного или стационарного исполнения, одна из которых является ВЩ, остальные -ВМ. Базовые расстояния до 1.200 км. Развернутая цепочка РНС МАРС-75 обеспечивает рабочую зону до 6.000 км2. Относительная нестабильность опорных генераторов - 10"6. Мощность излучения Ризл - 8-25 Вт. Диапазон частот: Af = 64-92 кГц.» 10
«Принцип работы системы основан на выделении синтезированных импульсов сигналов ВЩ и каждой из BMi станций и измерении временного интервала между ними, соответствующего разности расстояний между ВЩ и BMi станций.

Сигнал, излучаемый каждой наземной станцией системы, состоит из 23-х частотных компонент, разнесенных на частоте Af=l,22 кГц. ВЩ станция в начале каждого цикла излучает дополнительно командный сигнал, состоящий из 2-х частотных компонент fк1 и fк2 общей длительностью 180 Мс, используемый для передачи информации об исправности наземных станций. Длительность такта ВЩ станции - 1,62 с, ВМ станции -1,44 с. Между тактами излучения каждой станции существуют паузы Тп=80 Мс. Длительность компонент - 40 Мс. Пауза между ними - 20 Мс Общая длительность навигационного сигнал - 136с. Общая длительность сигнала Тс=4,5с.

В состав РНС может входить также и Ш-я ВМ станция. В этом случае она работает вместе с I ВМ или П ВМ, но излучает частотные компоненты в обратной последовательности f23, f22…. f1, что обеспечивает селекцию ее сигналов без удлинения цикла излучения всей системы. Все частотные компоненты излучаются с одинаковыми амплитудами, для чего в наземной аппаратуре каждая компонента после формирования умножается на соответствующий множитель (коэффициент спектра). В корабельной аппаратуре производится обратное преобразование, для чего принятые компоненты восстанавливаются по амплитудам путем умножения на соответствующие коэффициенты и складываются. В результате преобразований синтезируется импульсный сигнал, повторяющийся с частотой повторения каждой компоненты Fn=l,22 кГц. Положение синтезирующего импульса во времени определяется фазами гармоник, а они, в свою очередь, удалением корабля от соответствующей наземной станции.» (10)

Принцип действия фазовых радионавигационных систем

«К разностнодальномерным системам относятся также фазовые радионавигационные системы типа «фазовый зонд», принцип действия которых основан на измерении в точке приема разности фаз электромагнитных колебаний, приходящих от двух береговых станций.
Пусть станция А (ведущая) и станция В (ведомая) излучают колебания, совпадающие по фазе (рис. 3).

С удалением от береговой станции фаза колебаний относительно колебаний в точке излучения непрерывно изменяется и на расстоянии D от береговой станции:

На судне в точке приема М фазы электромагнитных колебаний от ведущей до ведомой станций соответственно будут:

Где DA и DB — расстояния до станции А и В соответственно. Разность фаз приходящих сигналов от станций А и В:

(Выражение 1)

Из выражения (1) видно, что разность фаз зависит только от разности расстояний DА и DB, следовательно линия, на которой наблюдается одинаковая разность фаз, — гипербола.

Сетку линий положения (гипербол) для различных значений разности фаз рассчитывают заранее и наносят на карту.
Для определения места судна, как известно, необходимо наличие не менее двух линий положения, поэтому одна цепочка береговых станций РНС «Декка» состоит из одной ведущей и двух или трех ведомых станций. Так образуется сетка гипербол. Гиперболы, на которых разность расстояний равна целому числу длин волн λ(0, +λ, ±2λ,..., ±nλ) , а разность фаз = 0, называются главными гиперболами (рис. 4).

Пространство между двумя смежными главными гиперболами называется дорожкой. Дорожкам присваиваются определенные номера. Так как внутри каждой дорожки находится гипербола, соответствующая измеренной разности фаз то фазовая система обладает многозначностью определений места.

Эта многозначность может быть устранена первоначальной привязкой, которая заключается в определении номера дорожки по обсервованной
точке в начале плавания. На этот номер устанавливают стрелку фазового счетчика, и он всегда показывает номер дорожки, а фазометр — положение судна (гиперболу) внутри дорожки. Кроме того, в современной судовой приемоиндикаторной аппаратуре для определения номера дорожки предусмотрена система их опознания.

К достоинствам фазовой РНС следует отнести высокую точность определения места, так как точность определения угла сдвига фаз (точность фаз) составляет 3°,6, при этом точность определения расстояния на базе составит 0,01 Л (7—12 м) . Недостаток фазовой РНС — многозначность отсчета и большое влияние пространственной волны на точность определения.

Дальность действия системы около 250 миль, точность определения места судна 50—200 м днем и до 2000 м ночью. Дальность действия высокоточной фазовой РНС ближнего действия «Хай-Фикс» составляет 50—100 миль при точности определения места до 7—12 м.
В ближайшие годы вводится в строй новая фазовая глобальная РНС «Омега». Работа этой системы будет обеспечиваться восемью береговыми станциями, которые обеспечат навигацию с достаточной точностью в пределах всего земного шара. Ожидаемая точность определения места по сигналам РНС «Омега» на расстояниях до 14 000 км составляет 0,8—1,6 км днем и 1,6—3,3 км ночью.» (11)

Глава 2. СРНС ГЛОНАСС

Структура и основные характеристики

«Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

• подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;
• подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов контроля и управления;
• аппаратуры потребителей (АП).» (5)

«Навигационные определения в ГЛОНАСС осуществляются на основе опросных измерений в аппаратуре потребителей псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех спутников (или трех спутников при использовании дополнительной информации) ГЛОНАСС, а также с учетом принятыx навигационных сообщений этих спутников. В навигационных сообщениях, передаваемых с помощью спутниковых радиосигналов, содержится информация о различных параметрах, в том числе и необходимые сведения о положении и движении спутников в соответствующие моменты времени. В результате обработки этих данных в АП ГЛОНАСС обычно определяются три (две) координаты потребителя, величина и направление вектора его земной (путевой) скорости, текущее время (местное или в шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) или, по другому, UТC(ГЭВЧ) (ГЭВЧ — Государственный эталон времени и частоты). Основные характеристики СРНС ГЛОНАСС приведены в табл. 1, где для сравнения приведены сведения об американской средневысотной СРНС GPS.» (1)

Назначение и состав подсистемы контроля и управления

«Наземный сегмент системы ГЛОНАСС — подсистема контроля и упрощения (ПКУ), предназначена для контроля правильности функционирования правления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС); система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура контроля поля (АКП).» (1)

«Наземный сегмент выполняет следующие функции:

• проведение траекторных измерений для определения и прогнозировании непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;
• временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизации спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;
• формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;
• передача (закладка) массива служебной информации в память ЭВМ каждого спутника и контроль за его прохождением;
• контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния;
• контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ;
• управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;
• определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами ПКУ.
В автоматизированном режиме решаются практически все основные задачи управления НС и контроля навигационного поля.» (5)

Принцип работы СРНС

«В состав СРНС входят три подсистемы:

• подсистема навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ);
• подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс (Кшк));
• аппаратура навигационных потребителей (приемоиндикаторы).

В настоящее время считается целесообразным введение в состав СРНС функциональных структур, обнаруживающих и идентифицирующих нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функционирования и своевременно предупреждающих об этом потребителей системы. Структура, способы функционирования и требуемые характеристики подсистем СРНС во многом зависят от требуемого качества навигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений.

Основные функции НИСЗ заключаются в формировании и излучении радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС. Для этого в состав аппаратуры НИСЗ обычно входят: радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от Кшк, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ), солнечные батареи и т.д.

Орбитальная конфигурация сети НИСЗ обеспечивает заданную рабочую зону, возможность реализации различных методов навигационно-временных определений (НВО), дискретность и точность НВО, диапазон изменения параметров радиосигналов НИСЗ и т.д. Так, например, увеличение высоты полета НИСЗ позволяет расширить зону прямой видимости и принимать сигналы НИСЗ на значительных территориях. И тогда несколько НИСЗ, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и авиационного потребителя, радионавигационное поле (глобальную рабочую зону). В свою очередь соответствующие характеристики сигналов НИСЗ и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью. Количество и пространственная расстановка видимых НИСЗ во многом обеспечивают точность НВО.

В современных СРНС большое внимание уделяется взаимной синхронизации сети НИСЗ по орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило использование применительно к ним термина сетевые СРНС. Кшк обеспечивает наблюдение и контроль за траекторией движения НИСЗ, качеством функционирования их аппаратуры, управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации. Обычно Кшк состоит из координационно-вычислительного центра (КВЦ), станций траекторных измерений (СТИ), станций управления (СУ), наземного (системного) эталона времени и частоты (СЭВЧ). Периодически, при полете НИСЗ в зоне видимости СУ, происходит закладка в память бортовой ЭВМ спутника наборов эфемерид и другой необходимой информации. Эти данные затем передаются потребителям в навигационном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Приемоиндикаторы (ПИ) СРНС предназначены для приема и обработки навигационных сигналов НИСЗ с целью определения необходимой потребителям информации. Обычно они состоят из радиоканала и вычислителя. Координаты НИСЗ определяются на Кшк, так как существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой проблемы в наземных условиях. Однако, в современных СРНС управление НИСЗ осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается постоянное взаимодействие Кшк и сети НИСЗ. Поэтому можно выделить два этапа решения этой задачи.

На первом этапе аппаратура Кшк сначала измеряет координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляет параметры их орбит. Затем эти данные прогнозируются на фиксированные, т.н. опорные, моменты времени, например, на середину каждого часового интервала предстоящих суток до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные таким образом координаты НИСЗ и их производные (т.н. эфемериды) передаются на НИСЗ, чтобы затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, последовательно передаваться потребителям.

На втором этапе в аппаратуре потребителя (АП) по этим данным осуществляется вторичное прогнозирование координат НИСЗ, т.е. вычисляются текущие координаты НИСЗ в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат осуществляется с учетом известных закономерностей движения НИСЗ. В отличие от самоопределяющихся НИСЗ, рассмотренный вариант функционирования
СРНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры Кшк с целью достижения заданной надежности системы.

Заметим, что Кшк, кроме того, закладывает в навигационное сообщение НИСЗ так называемый альманах набор справочных сведений о сети НИСЗ. Он, в частности, содержит загрубленные эфемериды НИСЗ, которые обычно используются лишь для определения видимых потребителю НИСЗ и выбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО. Темп обновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому она называется часто оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.

В ПИ современных СРНС определение поверхностей (линий) положения осуществляется пассивным (беззапросным) способом путем измерения, например, доплеровского сдвига частоты и (или) времени распространения навигационных сигналов от НИСЗ до потребителя. Это обстоятельство объясняет неограниченную пропускную способность рассматриваемых СРНС и скрытность работы их потребителей. Таким образом, процедура навигационных определений в ПИ современных СРНС характеризуется многоэтапностью и включает в себя, как правило, измерение дальностей до НИСЗ и их производных, вычисление координат НИСЗ на момент измерений, вычисление координат потребителя, его скорости, текущего времени и др.» (12)

Заключение

В настоящее время состав орбитальной группировки еще не обеспечивает 100-процентную доступность услуг ГЛОНАСС на территории страны, однако количество видимых над горизонтом в России спутников ГЛОНАСС, как правило, равняется трем или более. По заявлениям продавцов навигационного прибора Glospace, для определения местоположения достаточно трех видимых спутников ГЛОНАСС, а четвертый дает уточнение о высоте. Отсюда нетрудно сделать вывод, что для ориентирования наземных пользователей (автоводителей, грибников, туристов и т. п.) система вполне пригодна прямо сейчас, хотя при самолетовождении еще могут возникать определенные трудности.

Опасения вызывает отсутствие на рынке конкурентоспособных отечественных приемников ГЛОНАСС, а также конкретных планов развертывания ее массового производства.

Список литературы

1. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. — 3-е изд., перераб. — М.: Радиотехника, 2005. — 688 с. — 1000 экз. — ISBN 5-93108-076-7
2. Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. В. С. Шебшаевича. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1993. — 408 с.
3. В. С. Яценков Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС 2005г.
4. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования шкФ Каталог 2002г. 106с.
5. В.Н. Харисов, А.И. Перов, В.А. Болдин, Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС 1998г.
6. Карлащук В., Карлащук С. Спутниковая навигация. Методы и средства Библиотека инженера: 2006г.
7. Сайт «Специальные радиосистемы» http://www.radioscanner.ru
8. Российский навигационный сервер - ФГУП НТЦ "шнтернавигация" http://www.internavigation.ru
9. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. — М.: Советское радио, 1979. — 280 с.
10. Сайт «Черноморский флот 2017» http://www.flot2017.com
11. Сайт «ВМФ России» http://flot.com
12. Сайт «Спутниковая диспетчеризация транспорта» http://www.tracker.co.ua