Общее понятие о системах спутниковой навигации

Спутниковые Навигационные Системы (СНС)— специальный комплекс космических и наземных технических средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга актуальных задач, связанных, прежде всего с оперативным и точным определением местоположения относительно Земного сфероида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геологоразведочных, экологических и других задач.

Спутниковые навигационные комплексы, созданные впервые в США - «NAVSTAR» и в СССР — «ГЛОНАСС» (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), вошли в международную практику решения военных, навигационных, инженерных и других проблем под названием "Global Positioning System» («GPS») или дословно — Глобальная Система Позиционирования (местоопределения). Поэтому в дальнейшем Спутниковые Навигационные Системы (СНС) будем называть, используя международную аббревиатуру («GPS»).

Возможность оперативного определения координат местоположения имеет столь существенное значение в жизни современного человечества, что системы «GPS» рассматривают как «Новое достояние цивилизации». Появление спутниковых навигационных систем, уже ставших доступными рядовому пользователю, безусловно, предопределит в ближайшем будущем качественное изменение содержания и методов производства большинства видов инженерно-геодезических работ.

Принципы функционирования «GPS» основаны на определении местоположения по расстояниям до группы высокоорбитальных навигационных искусственных спутников Земли, выполняющих роль точно координированных точек отсчета (подвижных пунктов геодезической сети).

Каждая из систем спутниковой навигации состоит из трех самостоятельных подсистем: А, В и С.

А — подсистема орбитального комплекса, состоящая из высокоорбитальных искусственных спутников Земля (ИЗС – рис. 8.1) и средств вывода их на орбиты. Каждый спутник имеет на борту несколько высокоточных атомных часов — эталонов частоты. Спутники постоянно транслируют координатные радиосигналы и навигационные сообщения и создают тем самым единое глобальное навигационное поле.

Создание в нашей стране орбитального комплекса «ГЛОНАСС» штатного состава из 24 навигационных спутников было начато в октябре 1982 г. и завершено в декабре 1995 г. Искусственные спутники «ГЛОНАСС» равномерно распределены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных относительно друг друга на 120° (рис. 8.2 б). Плоскостям соответствен­но присвоены номера 1, 2 и 3 с возрастанием в сторону вращения Земли, при этом номинальные значения абсолютных долгот идеальных плоско­стей зафиксированы:

215°15'00" + 120°(i-1), (8.1)

где i — номер орбитальной плоскости.

Номинальные расстояния между соседними спутниками «ГЛОНАСС» по аргументу широты составляют 45°. Спутникам 1-й орбитальной плос­кости присвоены номера с 1 по 8, спутникам 2-й орбитальной плоскости — с 9 по 16 и спутникам 3-й орбитальной плоскости — с 17 по 24. Орби­тальные плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу ши­роты на 15°.

а). Спутник NAVSTAR.

б) Спутник ГЛОНАСС.

Рис. 8.1. Навигационные спутники.

а) б)

Рис. 8.2. Спутниковые навигационные системы.

а) – NAVSTAR; б) – ГЛОНАСС.

Навигационные спутники системы NAVSTAR размещены в шести орбитальных плоскостях, по четыре спутника в каждой (рис. 8.2 б).

Высота орбиты навигационных спутников системы «ГЛОНАСС»-19—100 км, системы «NAVSTAR»-20—180 км.

Период обращения спутников системы «ГЛОНАСС» — 11 часов 15 минут 44 секунды, системы «NAVSTAR» — 12 часов.

Наклонение орбиты системы «ГЛОНАСС» — 64,8°, системы «NAVSTAR» — 55,0°.

Такая конфигурация орбитальной структуры спутниковых навигаци­онных систем обеспечивает глобальную и непрерывную зоны действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.

Навигационные спутники систем «GPS» непрерывно излучают ра­диосигналы различной точности. Так, для системы «ГЛОНАСС» преду­смотрены навигационные сигналы двух типов:

Высокой точности (ВТ) — предназначен исключительно для решения задач Министерства Обороны РФ.

Стандартной точности (СТ) — доступен всем потребителям.

Для системы «NAVSTAR» предусмотрены навигационные сигналы трех типов:

Protected (P-code) — защищенный, предназначенный прежде всего для нужд МО США.

Selective Availability (S/A) — избирательной доступности, преднаме­ренно создавая значительный и непредсказуемый уход спутниковых ча­сов создает значительные ошибки в определении местоположения для общегражданского круга пользователей.

Clear Acquisition (С/А) — легкой распознаваемости, т. е. — это обще­гражданский код.

Б — наземная подсистема контроля и управления состоит из группы станций слежения, нескольких станций загрузки на ИЗС и главной стан­ции. Эта подсистема осуществляет мониторинг целостности системы и является первичным источником информации, поставляемой пользова­телям. Ее основными задачами являются:

- контроль за работой навигационных ИЗС;

- сбор информации для определения и прогноза орбит (эфемерид);

- формирование единой временной системы всего орбитального ком­плекса и ее синхронизация относительно Всемирного времени и экспор­тирование данных в память бортовых компьютеров навигационных ИЗС.

Орбитально - временная информация закладывается в память ИЗС дважды в сутки, что обеспечивает высокую точность навигационных оп­ределений.

В — подсистема пользователей состоит из комплекса аппаратно-про­граммных средств, реализующих основное назначение «GPS» — опреде­ление координат для геодезического применения.

Главными факторами широкого использования аппаратуры пользова­телей «GPS» являются:

- всепогодность;

- оперативность первого определения координат (менее 3 минут от включения приемника);

- непрерывность определения координат (каждые 0,5 с);

- малые габариты и вес приемников;

- малая энергоемкость;

- простота эксплуатации;

- высокая точность;

- сравнительно небольшая стоимость.

Данные позиционирования представляются в любом удобном для пользователя цифровом виде: в различных географических системах координат или в любой прямоугольной системе координат с возможностью описания и систематизации объектов позиционирования.

В настоящее время спутниковые навигационные системы уже нашли широкое применение в следующих областях: военной; на космическом, воздушном, морском, речном, автодорожном, железнодорожном и дру­гих видах транспорта; в геодезии, картографии, океанографии; при про­изводстве геофизических и геолого-разведочных работ; в лесном хозяй­стве и землеустройстве; рыболовном хозяйстве; в экологическом монито­ринге; в научно-исследовательских работах, в том числе, фундаменталь­ных и других сферах человеческой деятельности.

В части инженерной геодезии и инженерного дела, это безусловно, ре­волюционный прорыв в будущее, который влечет за собой как радикаль­ное изменение парка инженерно-геодезического оборудования, так и тех­нологий и методов производства работ.