Основные принципы функционирования спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS - Спутниковые навигационные приемники

В основе СНС заложен принцип измерения расстояний до спутников. Это значит, что для определения местоположения ВС на земной поверхности нужно измерить расстояние до каждого из группы спутников. Таким образом, спутники являются для нас точно известными опорными точками в пространстве. Это достигнуто тем, что орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS рассчитаны с очень высокой степенью точности и поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Измерение дальности до спутников происходит по аналогии с маяками для моряков, дальномерами ДМЕ - для летчиков, триангуляционными пунктами - для геодезистов. Если мы имеем точно известные координаты наземных радиодальномеров А и В, то отложив на карте две дальности Д1 и Д2 от этих известных точек, можно достаточно точно запеленговать место воздушного судна.

Рис. 8

Принцип основан на том, что радиопередатчик спутников ГЛОНАСС и GPS непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS/ГЛОНАСС - приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников.

При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС и GPS, приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляет дальность "спутник-приемник". Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так для определения местоположения точки нужно знать координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту Н), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ.

Рис. 9

Одновременно с проведением измерений расстояний в приемнике GPS/ГЛОНАСС 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 орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

Очевидно, что при данном методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные "атомные" часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (10-13). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому "системному времени". Эталон времени GPS/ГЛОНАСС - приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или "псевдодальность", а измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину времени несоответствия можно считать постоянной.

С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X, Y и Н, но и поправки часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех спутников, а до четырех. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y, H) и точное время

Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта относительно земной поверхности (путевая скорость). Таким образом, для выполнения необходимых расчетов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум четырех спутников.

Современные GPS/ГЛОНАСС приемники имеют от 5 до 12 каналов приема сигналов от спутников. Прием сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяет повысить точность определения координат и обеспечить решения навигационных задач.

Для полного понимания, как функционируют спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, рассмотрим геометрическую интерпретацию на плоскости этот принцип. Этот принцип может быть объяснен следующим образом:

Предположим, что нам не известно наше местоположение, но мы хотим установить его и известно расстояние от одного спутника, то мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг его.

Рис. 10

Для примера, известная точная дальность до спутника пусть будет 20000 км, то в пространстве существует геометрическое место точек, а именно шар, т. е. поверхность, на которой мы можем находиться в данный момент от спутника.

Очевидно, что одно измерение ставит нас на одну из множества точек где-то на поверхности воображаемой сферы радиусом в 20000 км, в центре которой находится спутник.

Если в тот же момент времени мы знаем, что расстояние до второго спутника равно 21000 км, то геометрическое место точек нашего возможного местоположения в мировом пространстве сужается, т. к. место точек, где мы можем находиться одновременно на удалении 20000 км от одного спутника и 21000 км от другого, является окружность, образованная пересечением двух сфер с заданными радиусами.

Рис. 11

То есть, принимая одновременно сигнал от двух спутников, мы можем утверждать что находимся где-то на линии окружности, образованной в результате пересечения двух сфер. Но двух спутников недостаточно для точного определения своего местоположения, т. к. область окружности определенной от этих спутников может достигать сотни, а то и тысячи километров.

Для того чтобы вычислить точно координаты определяемой точки, нам необходимо знать расстояние до третьего спутника - 22000 км.

В результате пересечения третьей сферы от спутника радиусом 22000 км с образованной теперь окружностью от двух спутников мы получаем позицию с двумя возможными точками А и В, где мы могли бы находиться в мировом пространстве.

Рис. 12

Для того, чтобы определить свое точное местонахождение алгоритм нашего приемника методом логического исключения определяет, какая из двух точек А и В является истинной позицией приемника, т. е. исключает одну невозможную точку. Эта невероятная точка определяется в первую очередь высотой земной точки над поверхностью земного шара. Она будет находиться либо далеко в космическом пространстве, либо глубоко над Землей. Истинная же точка будет находиться в околоземном пространстве или на поверхности Земли, что и делает ее определяющей точное местоположение приемника.

Другим фактором, который выявляет ложную точку, является скорость перемещения точки. В истинной точке скорость всегда будет приблизительно одинаковой в достаточно короткие промежутки времени обработки приемником информации со спутников, в другой же точке - ложной, скорость будет иметь слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности.

И по двум признакам - высота и скорость компьютер нашего приемника, который имеет специальную программу, исключит ложную точку.

Вычисления местоположения потребителя от трех спутников произойдет в двухмерном пространстве (т. е. ц и л) и только в идеальных условиях, но из-за

Ошибки в измерении времени может возникнуть ошибка в определении четвертого спутника.

Рис. 13

Сфера от четвертого спутника пройдет через истинную точку, исключит ошибки в измерении времени и определит высоту над геоидом.

Таким образом, для получения точной информации для наземных и воздушных измерений необходимы данные от четырех спутников.

Следует отметить, что в памяти приемников GPS/ГЛОНАСС находится не просто примитивная модель сферической поверхности Земли, а достаточно точная модель геоида по небольшим региональным участкам. Что позволяет снизить ошибки вычислений до минимума и указать высоту полета над поверхностью эференц-эллипсоида, т. е. указывать приблизительную абсолютную высоту.

Рис.14

Похожие статьи




Основные принципы функционирования спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS - Спутниковые навигационные приемники

Предыдущая | Следующая