РЕФЕРАТ

На тему: «Глобальные навигационные системы»

Студент группы 10-ОЗИ
Передельская А.В.

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.

1. История развития навигационных спутников(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 Со¬ветском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Зем¬ли (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-конструк¬торским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, по¬лучившей в дальнейшем название "Цикада". В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поко¬ления "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распреде¬лением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в сред¬нем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности нави¬гационного 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 совершенст¬вованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной ап¬паратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопро¬сам 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 специ¬ально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собст¬венных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в на¬стоящее время на интервале суточного прогноза величину  70-80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего ме¬стоположения 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 прием¬ной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедст¬вия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками систе¬мы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где про¬изводится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самоле¬тов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-ка¬надской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигацион¬ных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутни¬ковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навига¬ционной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потре¬бителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и косми¬ческих кораблей.
Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечи¬вать потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных координат беззапросным методом требу¬ется проведение измерений навигационного параметра не менее чем до четы¬рех спутников, при этом одновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных часов относительно шка¬лы 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•1013 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 11014, 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. за¬пуском спутника "Космос-1413"..."
В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штат¬ного 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 (РИРВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.
Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление сис¬темами являются Военно-космические силы РФ.
В рассматриваемый период времени в США также проведены интенсив¬ные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколения атом¬ных 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 поколе¬ния — ОР5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутни¬ковая 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 характери¬стиками, что позволит повысить надежность и точность системы в целом;
• внедрение технологии спутниковой навигации в отечественную эконо¬мику, 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

2. Структура спутниковых радионавигационных систем

«Структура, способы функционирования и требуемые характеристики подсистем СРНС во многом зависят от заданного качества навигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений. Для достижения таких важнейших качеств, как непрерывность и высокая точ¬ность навигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе со¬временной СРНС типа ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные под¬системы (рис. 1):

• космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных ИСЗ (в дальнейшем ее называем сетью навигационных спутников (НС) или космиче¬ским сегментом);
• контроля и управления (ПКУ) (наземный командно-измерительный комплекс (КИК) или сегмент управления);
• аппаратура потребителей (АП) СРНС (приемоиндикаторы (ПИ) или сег¬мент потребителей). Разнообразие видов приемоиндикаторов СРНС обеспечи¬вает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в преде¬лах ближнего космоса) потребителей.» 6
«Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потреби¬телей и времени, т.е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту опе¬рацию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непо¬средственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребите¬лей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигна¬лам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известны¬ми координатами.
Выбор концепции независимой навигации и использование беззапрос¬ных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропу¬скной способности СРНС. По сравнению с зависимой навигацией, не преду¬сматривающей процедуры вычислений ПВК в ПИ СРНС, произошло усложне¬ние аппаратуры потребителей. Однако современные достижения в области технологий сделали возможной реализацию таких подходов при решении про¬блемы навигационных определений в СРНС.
Высокая точность определения местоположения потребителей обуслов¬лена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и пара¬метры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспе¬чивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.
В настоящее время считается целесообразным введение в состав СРНС региональных дополнительных систем, обеспечивающих реализацию наиболее строгих требований потребителей. Эти структуры позволяют существенно повысить точность обсерваций, обнаруживать и идентифицировать нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функциониро¬вания и своевременно предупреждать об этом потребителей, т. е. они могут осуществлять контроль целостности системы и поддерживать режим диффе¬ренциальных измерений.» 6

3. Основные навигационные характеристики НС

К основным навигационным характеристикам НС относят зону обзора, зону видимости, продолжительность наблюдения, орбитальную конфигурацию сети НС и др.
«Зона обзора НС представляет собой участок земной поверхности, на ко¬тором можно осуществлять наблюдение за НС, прием его сигналов. Центром зоны обзора является подспутниковая точка О3, называемая географическим местом спутника (ГМС).» 4
«Координаты ГМС (географические широта и долгота) могут быть рассчи¬таны по формулам:

где — орбитальные элементы НС; — гринвичское звездное время;
— угловая скорость прецессии узла орбиты. Зона обзора ограничена линией истинного горизонта в точке НС, поэтому ее размер зависит от высоты НС ( ). Размер зоны обзора ха¬рактеризуется углом или соответствующей ему дугой АО3, кото¬рая называется радиусом зоны обзора км. Из рис. 2 видно, что

Бортовые приемоиндикаторы СРНС обеспечивают заданную точность измерений в зоне обзора, ограниченной радиогоризонтом, который поднят для пользователя на угол 5-10 (угол маски).
Площадь зоны обзора . Тогда относительная пло¬щадь обзора , где - площадь земного шара. При увеличении высоты НС до 40 000 км радиус зоны обзора изменяется незначительно ( 9 400 км), а затраты на формирование такой орбиты возрастают существенно.
Рассмотренная выше зона обзора соответствует фиксированному моменту времени (мгновенная зона обзора).
У нестационарных НС мгновенная зона обзора, перемещаясь по поверхности Земли, образует зону обзора в виде полосы шириной . Ее осью является совокупность ГМС - трасса НС.» 2
Очевидно, что если потребитель находится в стороне от трассы НС, то продолжительность наблюдения спутника уменьшается.
«Навигационные алгоритмы, реализованные в бортовых приемоиндикаторах современных СРНС, обычно ориентированы на прием сигналов от не¬скольких НС одновременно. Наблюдение в любой точке рабочей зоны СРНС одновременно нескольких НС обеспечивается путем оптимального выбора стабильной пространственно-временной структуры (конфигурации) сети НС — числа, ориентации и формы орбит; числа НС на каждой из них; взаимного расположения орбит и спутников на них. Обычно число НС в сети превышает минимально необходимое за счет резервных НС.» 6

4. Радионавигационные системы наземного базирования

4.1. 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
Таблица 4.1

«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 Индии. 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.Инта (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.
Интервалы 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.

4.2. 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

4.3. 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

4.4. 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

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

5. РАДИОМАЯКИ

Используя визуальные средства навигационного оборудования — маяки, знаки, буи, вехи и т. д.,— мореплаватель при хорошей видимости может легко определять свое место и избегать опасностей в море.
Когда же видимость на море резко ухудшается вследствие пурги, низкой облачности или тумана, эти средства навигационного ограждения оказываются мало полезными мореплавателю. Бесполезны в этих условиях и астрономические приемы определения места корабля в море. Долгие годы корабли с ухудшением видимости могли продолжать плавание только по счислению, т. е. определять место в море самым ненадежным способом.
Только изобретение великим русским ученым А. С. Поповым радио облегчило положение мореплавателей. Радиомаяки дали возможность с достаточной точностью определять место корабля в море независимо от состояния погоды и видимости.
Для использования радиомаяков на судах устанавливаются специальные радиопеленгаторы, описание которых дается в соответствующей технической и массовой литературе.
Основными видами радиомаяков считаются радиомаяки кругового и направленного излучения.
Принцип действия радиомаяка кругового излучения сводится к следующему. Излучаемая антенной маяка электромагнитная энергия распространяется равномерно во все стороны, что дает возможность определять пеленг с корабля на радиомаяк при помощи корабельного радиопеленгатора. Каждому радиомаяку присваиваются определенные позывные, по которым мореплаватель находит интересующий его радиомаяк и производит радиопеленгование.
Все морские радиомаяки Советского Союза и других государств работают в диапазоне волн, установленном для них на международных конференциях. Так, в 1932 г. международная конференция по вопросам телеграфных сообщений определила для морских радиомаяков в европейской зоне диапазон волн от 938 до 1 034 м, а для радиомаяков, расположенных вне европейской зоны,— от 919 до 1 053 м.
Все радиомаяки, установленные на берегах какого-либо моря, сводятся для удобства использования в навигационные группы. В каждую группу включаются, как правило, два или три радиомаяка, расположенных так, чтобы пересечение взятых на них пеленгов давало наименьшую ошибку определения места судна в море.
Для исключения взаимных помех в эфире каждой группе радиомаяков дается определенная волна, отличающаяся от волны другой группы. Радиомаяки, имеющие тональную передачу, отличаются, кроме длины волн, также и по тону. Каждый радиомаяк имеет свой отличительный сигнал — позывные,— представляющий собою сочетание букв, передаваемых по азбуке Морзе. Сигнал передается со скоростью повторения 15—20 раз в минуту. Иногда после отличительного сигнала передается знак «тире» для пеленгования. Продолжительность передачи тире устанавливается от 6 до 15 сек. Каждый радиомаяк передает в эфир свой отличительный знак в продолжение примерно 2 мин., после чего следует четырехминутная пауза. Весь рабочий период продолжается точно 6 мин.
Радиомаяки работают круглосуточно по расписаниям «ясно» или «туман». Выбор расписания зависит от условий видимости в данном районе моря. По расписанию «ясно», т. е. когда видимость хорошая, радиомаяки работают примерно по нижеследующей таблице.

По расписанию «туман», т. е. когда видимость вследствие тумана или каких-либо других причин (снег, дождь, мгла, дымка и т. д.) уменьшается до 7—8 миль, радиомаяки работают непрерывно, включаясь десять раз в час, согласно очередности, определяемой внутригрупповым номером. Расписание работы такой группы радиомаяков определяется приведенным ниже расписанием.

Работа трех радиомаяков, входящих в одну навигационную группу, производится в следующем порядке: первый в группе радиомаяк дает сигнал 1 м. 50 с, второй вступает в действие от 2 мин. и действует до 3 м. 50 с, третий от 4 мин. до 5 м. 50 с. и т. д. снова.

В СССР наибольшее распространение получили радиомаяки кругового излучения с дальностью действия в 50 морских миль; там, где это по условиям плавания необходимо, установлены более мощные радиомаяки. Предельной дальностью эффективного использования радиомаяков считается 200 морских миль. Определение места судна по радиомаякам с расстояний, превышающих 200 миль, неточно и не удовлетворяет требованиям навигационных определений.
Мощность излучения радиомаяков, в пределах расстояний до 200 миль, должна быть такой, чтобы напряженность поля на предельной дальности была не менее 50 микровольт на метр. Такая напряженность вполне обеспечивает надежное радиопеленгование.
Наиболее благоприятным временем суток для определения места судна в море по радиомаякам считается день, так как в период темного времени суток, от захода до восхода солнца, радиоволны в диапазоне, принятом для радиомаяков, искажаются. Это искажение носит название «ночного эффекта». «Ночной эффект» вызывает большие ошибки в радиопеленговании. Это учитывается мореплавателями, поэтому ночью, если позволяет видимость, применяются астрономические способы определения места корабля в море.
Радиомаяки направленного излучения, или так называемые «створные» радиомаяки, обеспечивают плавание по заданному направлению или применяются как секущие там, где необходимо показать ориентировочные границы движения судна или район якорной стоянки на линии рекомендованного курса, проходящего в сфере действия данного радиомаяка.
Морские створные радиомаяки обеспечивают вождение корабля по заданному курсу с точностью, равной 1—3°, при дальности действия до 25 миль.
Применяемые в СССР створные радиомаяки, разработанные инженерами Мясоедовым и Смирновским 13.

6. СРНС ГЛОНАСС

6.1. 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

6.2. 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

6.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ СРНС

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:
• горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ , и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот НКА ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.
Служебная информация накладывается на узкополосный дальномерный сигнал путем инвертирования открытого дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек.: первые 0,3 сек. предназначены для метки времени, остальные 1,7с предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек.) Пять кадров навигационной информации объединяются в суперкадр. В составе каждого кадра передается полный объем цифровой информации, относящейся к данному HKA и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передается одним суперкадром. Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:
• признак достоверности информации в кадре;
• время начала кадра;
• эфемеридную информацию -координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to;
• частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ;
• время to (кратно 30 мин. от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотновременные поправки.
Альманах системы содержит:
• время, к которому относится альманах;
• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ;
• поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны.

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 ИКФ 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 "Интернавигация" 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 http://www.pilowar.ru/art-gps1.php
13) Сайт http://flot.com/publications/books/shelf/alexeev/13.htm