Старчиков спутниковая аэронавигация, страница 4

Рис. 3.3. Система геодезических координат и высота

Можно отметить тот факт, что в навигации обычно вместо геодезических координат используется понятие географические координаты. Причиной этого является то, что до появления СНС точность определения МВС была такой, что между названными системами координат не было необходимости делать различия.

1. Системы координат WGS-84 и ПЗ-90

Осуществление навигации невозможно без применения систем координат. При использовании СНС для целей аэронавигации используется геоцентрическая система координат.

В 1994 г. ИКАО в качестве стандарта рекомендовало для всех государств членов ИКАО с 1 января 1998 г. использовать глобальную геодезическую систему координат WGS-84 [1], т.к. в этой системе координат производится определение местоположения воздушного судна при использовании системы GPS. Причиной этого является то, что применение местных геодезических координат на территории различных государств, а таких систем координат более 200, приводило бы к дополнительной погрешности в определении МВС за счет того, что введенные в приемо-индикатор СНС пункты маршрута принадлежат системе координат, которая отличается от WGS-84.

Центр глобальной системы координат WGS-84 совпадает с центром массы Земли. Ось Z соответствует направлению обычного земного полюса, который перемещается из-за колебательного вращения Земли. Ось X лежит в плоскости экватора на пересечении с плоскостью нулевого (Гринвичского) меридиана. Ось Y лежит в плоскости экватора и отстоит от оси X на 90° (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Определение системы координат WGS-84

В Российской Федерации, в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач при использовании ГЛОНАСС, применяется геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 г.» (ПЗ-90) [8]. Для осуществления геодезических и картографических работ, начиная с 1 мая 2002 г., используется система геодезических координат 1995 г. (СК-95). Переход от геодезической системы координат 1942 г. (СК-42) к СК-95 займет определенный промежуток времени, прежде чем все навигационные пункты на территории России будут переведены в новую систему координат.

Основные параметры рассмотренных выше систем координат, представлены в табл. 3.1 [1,9].

Таблица 3.1

Системы координат, применяемые в навигации

Примечание. Значения ∆х, ∆у, ∆z и ω_х, ω_у, ω_z для ПЗ-90 даны относительно WGS-84, а для СК-95 и СК-42 относительно ПЗ-90.

Из табл. 3.1 видно, что системы координат WGS-84 и ПЗ-90 практически одинаковы. Из этого вытекает, что при полете по маршруту и в районе аэродрома при существующей точности определения МВС не принципиально, в какой системе координат будут определяться навигационные пункты.

В системе координат ПЗ-90 центр (S’) относительно центра WGS-84 (S) имеет смещение по осям X, Y, Z [9]:

ΔX = 2 м, ΔY = 6 м, ΔZ = - 4,5 м,

а, кроме того, смещены и оси Y’ и Z’ относительно осей WGS-84 (Y, Z) на угловые величины:

ω_Y = - 0,35’’, ω_Z = - 0,11’’.

Ось X в WGS-84 и ось X’ в ПЗ-90 совпадают.

Угловое смещение оси Y’ ПЗ-90 относительно оси Y WGS-84 в 0,35’’ приводит к линейному смещению на поверхности эллипсоида на экваторе в 10,8 м, а смещение оси Z’ по отношению к оси Z в 0,11’’ - 3,4 м. Указанные смещения могут привести к общему (радиальному) смещению точки, расположенной на поверхности ПЗ-90 относительно WGS-84 на 11,3 м.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение референц-эллипсоида?

2. Для каких целей используется геоцентрическая система координат при использовании СНС?

3. Какими геометрическими параметрами описывается эллипсоид вращения?

4. Какая система координат принята в ИКАО в качестве стандарта?

5. Какая система координат применяется в ГЛОНАСС?

6. Какие основные параметры характеризуют WGS-84 и ПЗ-90?

7. Принципиально ли в какой системе координат WGS-84 или ПЗ-90, будут измеряться навигационные пункты при полете по маршруту?

8. Чему равно радиальное смещение точки на поверхности эллипсоида в системе координат ПЗ-90 относительно WGS-84?

1. ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО СУДНА В СНС

1. Общие принципы функционирования СНС

Принципы функционирования GNSS сравнительно просты, однако для их реализации используются передовые достижения науки и техники.

Все спутники GPS или ГЛОНАСС являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах (L1; L2), который может быть принят соответствующим приемником пользователя, находящегося в зоне действия спутника. Передаваемый сигнал содержит следующую информацию:

• эфемериды спутников;

• коэффициенты моделирования ионосферы;

• информация о состоянии спутника;

• системное время и уход часов спутника;

• информация о дрейфе спутника.

В приемнике бортового оборудования ВС генерируется код, идентичный принимаемому со спутника. При сравнении двух кодов определяется временной сдвиг, который пропорционален дальности до спутника. Принимая одновременно сигналы от нескольких спутников, можно определить местоположение приемника с высокой точностью. Очевидно, что для функционирования системы необходима точная синхронизация кодов, генерируемых на спутниках и в приемниках.

Ключевым фактором, определяющим точность системы, является то, что все составляющие спутникового сигнала точно контролируются атомными часами. Каждый спутник имеет по четыре квантовых генератора, являющихся высокоточными стандартами частоты со стабильностью 10^-13. Часы приемника менее точны, но их код постоянно сравнивается со спутниковыми часами и вырабатывается поправка, компенсирующая уход.

Наземный сегмент осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные параметры спутников. Данные о результатах измерений, выполненных каждой контрольной станцией, обрабатываются на главной станции управления и используются для прогнозирования эфемерид спутников. Там же, на главной станции управления, формируются сигналы для коррекции спутниковых часов.

Местоположение воздушного судна с использованием GPS и ГЛОНАСС определяется в геодезических системах координат, которые могут отличаться от геодезических координат, используемых в бортовых навигационных комплексах.

1. Физико-технические принципы функционирования СНС.

В основу определения координат ВС положен принцип измерения дальностей до навигационных спутников.

Геометрическая интерпретация реализации этого принципа может быть объяснена следующим образом. Предположим, что в любой момент времени позиции спутников в околоземном пространстве известны, и могут быть измерены первичные навигационные параметры - дальности до спутников, находящихся в поле зрения приемника СНС. Измеренная дальность до одного спутника определяет поверхность положения в виде сферы с радиусом, равным измеренной дальности (рис. 4.1). Дальности до двух спутников определяют две поверхности положения, пересечение которых определяет линию положения в виде окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника в виде сферы с радиусом , может иметь пересечение с линией положения в виде окружности, полученной от первых двух спутников, только в двух точках .

Таким образом, измеренные дальности до трех спутников ограничивают возможную позицию двумя возможными точками. Методом логического исключения определяется, какая из двух точек является позицией приемника СНС. Например, если одна из точек слишком далеко от поверхности Земли, или имеет слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности, или находится на очень большом удалении от ранее определенной позиции, то такая точка не может быть искомой позицией. В компьютеры бортовой аппаратуры заложено несколько алгоритмов, позволяющих отличить правильную позицию от ложной.

Рис. 4.1. Определение позиции ВС по спутникам

Определение дальности D от спутника до приемника СНС выполняется в результате измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до потребителя СНС сигналов по формуле:

D = c  t ,

где c - скорость распространения радиосигнала;

t - время прохождения радиосигнала.

Для дальностей порядка D = 20000 км и скорости c = 300000 км/сек время прохождения сигнала t = 0,06 сек. Поэтому в аппаратуре потребителя должно быть обеспечено высокоточное измерение весьма малых промежутков времени.

Для определения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника сигналов использован метод сравнения псевдослучайных кодов, генерируемых в аппаратуре спутника и приемника СНС.

В самых общих чертах данный метод состоит в следующем. Аппаратура спутников и приемников синхронизирована с очень высокой точностью. И на спутниках, и в приемниках одновременно генерируются одинаковые последовательности весьма сложных цифровых кодов. Эти коды настолько сложны, что внешне выглядят как длинные цепочки случайных импульсов, которые принято называть псевдослучайными кодами. И так как аппаратура спутников и приемников генерирует одинаковые коды в одни и те же моменты времени, то время прохождения сигнала от спутника до приемника определяется по задержке принятого кода (рис. 4.2). Генерируемые псевдослучайные коды повторяются каждую микросекунду, т.е. через каждые сек.