Введение в СРНС (ОП СРНС, лекция)

Первые эксперименты

4 октября 1957 года Советским Союзом был запущен первый искусственный спутник Земли - ПС-1. Аппарат был выведен на низкую орбиту ракетой Р7.

Спутник попеременно передавал радиосигнал на двух несущих частотах - 20,005 и 40,002 МГц. Сигналы являлись радиоимпульсами длительностью около 0.3-0.4 с, которая изменялась в зависимости от температуры и давления.

Оптические наблюдения за расположением аппарата относительно звезд позволили определять параметры его орбиты. Она оказалась низкой с высотой от 200 км в перигее до 950 км в апогее и наклонением около 65 градусов. Созданные системы регистрации позволяли привязать оценки положения спутника к шкале времени.

Отступление

Согласно законам Кеплера, точечная масса под действием гравитационного поля центрального симметричного тела в зависимости от его скорости движется либо по параболе, либо по гиперболе, либо по эллипсу (в частном случае - окружности). Искусственные спутники Земли, в первом приближении, совершают движение по эллипсу. Форма эллипса задается двумя параметрами, например, размерами полуосей или, что чаще встречается, одной полуосью и эксцентриситетом. Для задания конкретной точки на эллипсе потребуется ещё один параметр, в качестве которого выступает так называемая истинная аномалия $\theta$. Итого три параметра для описания формы эллипса и положения на нём.

Ещё три параметра задают положение эллипса в пространстве - три угла поворота относительно геоцентрической системы координат. Эти углы называются долготой восходящего узла $\Omega$, наклонением орбиты $i$ и аргументом перигея $\omega_p$.

Как сказано выше, перигей и апогей орбиты первого спутника составили около 200 и 950 км соответственно. При радиусе Земли 6.5 т.км высота апогея и перигея от центра планеты примерно равны, орбита практически круговая (эксцентриситет 0.05).

Если представить траекторию не в инерциальной системе координат, а в геоцентрической системе координат вращающейся вместе с Землей, эллипс орбит трансформируется в сложную кривую. Так воспринимается траектория спутника наблюдателем с Земли.

Сразу после запуска спутника в 1957 году учёные из России (группа под руководством В.Котельникова) и Америки (учёные из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с Ричардом Кершнером) практически одновременно экспериментально подтвердили возможность определения параметров движения ИСЗ по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником, и известному положению приемника. И наоборот - определять положение приемника при известных координатах и скорости спутника.

Так ПС-1 стал прообразом спутниковых радиосистем позиционирования.

Системы первого поколения

Система Транзит

На идею создания спутниковой навигационной системы оперативно отреагировал ВМФ США. В очередной раз моряки стали двигателем прогресса в вопросах позиционирования, что понятно - точность навигации кораблей в море определяет и точность применения их оружия. В особенности это касается подводных лодок с баллистическими ракетами. Уже в 1958 году началась разработка первой спутниковой навигационной системы Транзит, главным пользователем которой являлись ПЛАРБ типа "Джордж Вашингтон" с ракетами Полярис на борту. В мае 1958 года американцы подают заявку на патент под названием "Method of Navigation", описывающим доплеровскую спутниковую навигационную систему.

На рисунке представлен один из чертежей патента. При непрерывном наблюдении сигнала одного спутника можно составить своего рода функцию изменения его доплеровского сдвига частоты.

Сдвиг пропорционален проекции взаимной скорости объектов на линию визирования - линию, на которой находятся спутник и потребитель. В момент обращения доплеровского сдвига в ноль проекция вектора скорости на линию визирования так же равна нулю. То есть в этот момент линия визирования является нормалью к вектору движения спутника. Множество всех возможных нормалей образуют плоскость, перпендикулярную вектору скорости навигационного спутника. Эта плоскость, рассекая поверхность планеты, дает кривую возможных положений приемника. Выбор конкретной точки на кривой можно произвести с помощью известной зависимости крутизны кривой доплеровской частоты от расстояния между приемником и ИСЗ.

Как видим, для решения задачи требуется знать положение и скорость навигационного спутника в любой момент времени. Для этого в сигнал закладывается необходимая эфемеридная информация об орбите ИСЗ.

В радиолинии навигационный спутник - потребитель происходит однонаправленный процесс передачи информации. ИСЗ выступает в качестве радиомаяка-передатчика, потребитель - в качестве приемника.

Уже в 1959, через два года после запуска первого спутника Советами, на орбиту вышел первый навигационный спутник системы Транзит. По нынешним меркам это микроспутник, его вес составил 56 кг. Рабочие частоты - 150 и 400 МГц (две частоты для компенсации ионосферных искажений). Метка времени передавалась каждые 2 минуты, что позволяло синхронизировать часы по всему миру с точностью около 50 мкс. С темпом раз в 2 минуты формировалось и решение навигационной задачи приемниками - по методу наименьших квадратов выбирались координаты потребителя, наиболее подходящие для полученной кривой изменения Доплеровской частоты. В зависимости от длительности наблюдения и скорости потребителя погрешность определения положения составляла от 100 до 500 метров.

В 1964 году система принята на вооружение, а с 1967 года началось её коммерческое использование. По официальной версии, число гражданских потребителей быстро превысило число военных.

Применялись орбиты с высоким наклонением и высотой около 1000 км. Штатная группировка состояла из 6-7 спутников. Время наблюдения одного спутника составляло около 40 минут, затем он уходил за горизонт, и приходилось ждать появления следующего спутника.

За время существования системы Транзит в её составе успели сменить друг друга 37 спутников.

Система Циклон

В 1964 году началась разработка аналогичной Транзиту отечественной спутниковой навигационной системы. Она сменила множество названий в процессе своей эволюции, наиболее известное - "Циклон". В конце 1967 года был запущен первый спутник системы, Космос-192. Вид спутникового созвездия постепенно менялся. К моменту принятия на вооружение, которое состоялось в 1976 году, тип и количество орбит повторяли американскую систему Транзит - 6 спутников на 6 околополярных орбитах, сдвинутых по углу восходящего узла на 30 градусов. Высота орбит - 1000 км, наклонение 83 градуса. Достигнуты аналогичные Транзиту показатели точности.

Несущая частота сигналов составляла около 150 МГц (позже добавлена вторая несущая 400 МГц), использовалось частотное разделение сдвигом на 30 кГц.

В 1976 году военная группировка спутников начала дополняться ещё 4 аппаратами, образующими систему "Цикада" гражданского назначения. Военные потребители начали использовать все 10 спутников. К распаду Союза успели запустить 121 спутник - 99 системы Циклон и 22 системы Цикада.

Предпосылки к созданию систем второго поколения

Подводным лодкам часто часами приходилось ждать сигнала со спутника, а оборудование занимало очень много место, но появление спутниковых навигационных систем первого поколения стало настоящим прорывом в морской навигации. Тем не менее, военных заказчики осознали минусы системы - отсутствие непрерывности, определение двух пространственных координат вместо трех, значительное время ожидания решения. Им требовалось в произвольный момент и в любой точке Земли определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для этого необходимо одновременно принимать сигналы не менее четырех спутников. На низких орбитах для этого потребовалось бы разместить сотни космических аппаратов, что было бы не только безумно дорого, но и попросту неосуществимо. Дело в том, что срок эксплуатации спутников, в частности советских, не превышал одного-двух лет (а чаще — нескольких месяцев), и получилось бы, что вся ракетно-космическая промышленность работала бы исключительно на изготовление и запуск навигационных спутников. Вдобавок низкоорбитальные спутники испытывают значительные возмущения из-за влияния земной атмосферы, что сказывается на точности определяемых по ним координат, а технология перехвата низкоорбитальных спутников была отработана уже в 60-х годах.

Системы второго поколения

В 70-х годах прошлого века в Советском Союзе и США началось создание спутниковых навигационных систем второго поколения - ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS соответственно.

При разработке системы ГЛОНАСС исследования показали, что компромисс между параметрами навигационной системы и её сложностью достигается при размещении спутников на круговых траекториях высотой 19 000—20 000 километров (для ГЛОНАСС выбрана высота 19 100 километров) с наклонением около 64°. Влияние атмосферы здесь уже незначительно, а гравитационные возмущения со стороны Луны и Солнца еще не приводят к быстрым изменениям орбиты.

Теоретически на такой высоте достаточно 18 спутников в трех или шести орбитальных плоскостях, чтобы из любой точки на Земле было видно не менее четырех аппаратов одновременно. Но для стабильной работы системы в условиях рельефа и более подходящего их расположения необходимы 24 работающих спутника, а с учетом резерва в системе надо иметь 27—30 спутников.

К аналогичным выводам пришли американские специалисты, расположив, на первом этапе, 24 аппарата в 6 орбитальных плоскостях с наклонением 55 градусов и высотой 20200 км.

Сервис обеспечивают три сегмента СРНС: наземный сегмент, космический сегмент и сегмент АП.

Приложения СРНС второго поколения

• Вооруженные силы
• Синхронизация систем связи и энергетики
• Геодезия: с помощью приемников ГЛОНАСС и ГЛОНАСС\GPS определяют точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: ГЛОНАСС используется в гражданской и военной картографии
• Тектоника: с помощью спутников ведутся наблюдения движений и колебаний тектонических плит
• Навигация: с применением глобальных систем позиционирования осуществляется как морская так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг: проект ЭРА-ГЛОНАСС — мониторинг положения, скорости автомобилей, контроль за их движением
• Мониторинг сложных инженерных сооружений
• Мониторинг животных, защита окружающей среды
• Обеспечения поиска и спасания людей
• Персональные трекеры, «тревожная кнопка»

Подсистема космический аппаратов (космический сегмент)

Подсистема космических аппаратов состоит из определенного числа навигационных спутников. В различных системах число спутников варьируется, но изначально необходимое и достаточное количество для GPS и ГЛОНАСС (т.к. орбиты схожи) - 24 НС.

Задача: Расчет площади на поверхности Земли, которую покрывает каждый спутник в любой момент времени. Отсюда - требование к числу спутников.

Основные функции НС - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для КВО потребителей, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС.

Состав и структура спутника сложны и многогранны. В нашем курсе важно наличие следующих компонент:

• радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, БАМИ (упомянуть о Жене), приемники данных и команд от ПКУ, антенны, блоки ориентации)
• бортовой эталон времени и частоты
• солнечные батареи

Кратко о космическом сегменте: наглядно траектории относительно Земли, траектории в СК, связанной с Землей. О излучаемых сигналах, необходимости точно знать параметры орбиты...

Для закрепления, видеоряд:

Эволюция спутников системы ГЛОНАСС

Ураган

По данным BBC, 423 из общего количества действующих 957 спутников на орбите принадлежат США. За всю историю человечества было запущено порядка 6000 спутников, из которых на нашу страну приходится около 1500-2000. Спутников же Ураган (Глонасс первой модификации) отправили в космас - 81.

Подсистема контроля и управления

Кратко о наземном сегменте: закладка информации на спутники, измерение параметров орбит, формирование дифференциальных поправок и т.д.

Перспективы развития ПКА и ПКУ ГЛОНАСС

С 2011 начинается эксплуатация «Глонасс-К» с новыми CDMA сигналами в формате GPS/Galileo/Compass, которые значительно облегчат разработку мультисистемных навигационных приборов.

Так же в 2011 году планируется завершение модернизации наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации спутников и наземных комплексов станет увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составит порядка 2,8 м для гражданских потребителей.

В 2013—2014 намечен запуск усовершенствованного спутника «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появятся два шифрованных сигнала в диапазонах частот L1, L2 и L3 и открытый сигнал в диапазоне L1.

В 2015—2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ». Предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 8 сигналов в формате CDMA, которые заменят сигналы FDMA. После полного перехода на CDMA сигналы, предполагается постепенное увеличение количества КА в группировке с 24 до 30 и полное отключение FDMA сигналов.

И третий компонент - НАП, о которой подробно ниже...

• 
• 

НАП

Объект курса - навигационная аппаратура потребителей.

НАП входит в состав СРНС. Назначение - донесение до потребителей функций СРНС. Произведение координатно-временного обеспечения, а также ориентации пользователя. НАП как функция от сигналов и внутреннего состояния, возвращающая время, координаты, скорость и ориентацию.

Послесловие: об используемых терминах

Формальное определение: Спутниковая радиосистема позиционирования - система, предоставляющая потребителю сервис координатно-временного обеспечения: оценки его координат, а так же скорости, времени и угловой ориентации посредством радиосигналов спутниковой группировки.

К сожалению, исторически у нас есть огромное множество технических терминов, обозначающих практически одно и то же - СРНС, СРСП, ГНСС и т.д. Отличаются они подчеркиванием той или иной особенности системы:
- глобальная, т.е. возможность получать сервис от системы в любой точке земного шара;
- спутниковая, т.е. в качестве маяков в системе используются искусственные спутники Земли;
- навигационная или позиционирования - подчеркивает назначение системы для позиционирования и навигации;
- радио, т.е. использующая радиосигналы.

Чаще всего в России используется термин Спутниковая Радионавигационная Система, в последнее время набирает обороты использование термина Глобальная Навигационная Спутниковая Система, что по форме совпадает с иностранным термином GNSS - Global Navigation Satellite System.

Вы могли заметить чередование использование терминов навигационная система и система позиционирования. Навигация и позиционирование связаны, но это ни одно и то же. Позиционирование предполагает определения состояния объекта в некоторой системе координат - то есть координат, скорости, положения и т.д. Навигация же - процесс прокладки маршрута на основе результатов позиционирования. Обратите внимание, что известная вам система NAVSTAR GPS, как следует из названия, - глобальная система позиционирования. В то время как отечественная система - ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система. Хотя как мы увидим далее, по назначению они не различаются.

Литература

• [1]: Глава 1, Глава 5, Глава 9, Глава 11, Глава 13 (§13.1, §13.2, §13.3, §13.4, §13.5).
• [2]: Глава 1, Глава 2