02. Спутниковые РНС, страница 2

Радиобуи, которыми оснащаются различные морские суда, самолеты и другие объекты, работают на частотах121 и 406 МГц . Их сигналы, ретранслированные с НКА, принимаютсяспециальными наземными станциями, где определяются координатыобъекта, терпящего бедствие. «Коспас», совместно с американо-франкоканадской системой «Сарсат» образуют всемирную службу поиска испасения. За более чем двадцатилетнюю историю существования этойслужбы с ее помощью были спасены несколько тысяч жизней.Успешный опыт эксплуатации СРНС «Транзит» и «Цикада» подтвердил перспективностьспутниковой радионавигации как основнойлинии развития радионавигации в целом. В то же время стали очевидными принципиальные недостатки СРНС первого поколения.Первый недостаток состоял в том, что наличие перерывов междусеансами наблюдения НКА исключает возможность местоопределения впроизвольный момент времени или непрерывного местоопределения втечение длительного интервала времени. Уменьшить интервал между сеансами, увеличив количество НКА, было нельзя, поскольку все НКА использовали идентичные сигналы и при их одновременном наблюдениивозникали взаимные помехи.Второй недостаток связан с тем, что при интегральном доплеровском методе местоопределения необходимо результаты измерений, соответствующие различным моментам времени, приводить к одному моменту.

Технические средства, существовавшие на момент созданияСРНС первого поколения, обеспечивали точность синхронизации борто6вого эталона времени НКА и опорного генератора аппаратуры потребителя, соответствующую погрешности местоопределения неподвижногообъекта порядка 50 м (СКО). Для движущихся объектов точность интегрального доплеровского метода измерений существенно зависит отточности определения собственной скорости движения потребителя. Так,погрешности измерения собственной скорости, равной 0,5 м/с, соответствуют погрешности местоопределения порядка 500 м, т.е. по сравнениюс неподвижным потребителем погрешность возрастает примерно в 10раз.Таким образом, СРНС первого поколения не удовлетворяли требованиям непрерывного высокоточного местоопределениядинамичныхобъектов в любой точке Земли с выдачей результатов измерений в реальном масштабе времени.

Рассматривавшиеся на определенном этапе варианты расширения возможностей этих систем за счет увеличения числаспутников при одновременном увеличении высоты орбиты, а также засчет добавления к доплеровскому каналу дальномерного канала, не обеспечивали радикального улучшения ситуации, поскольку перспективнаяСРНС должна предоставлять потребителю возможность в любой моментвремени определять три координаты, вектор скорости и точное время.Для реализации такой возможности необходимо проводить измерения неменее чем по четырем спутникам, что накладывает соответствующееусловие на структуру орбитальной группировки НКА: в любой моментвремени в любой точке земной поверхности должна быть обеспеченавозможность наблюдения не менее четырех НКА, при этом общее числоНКА в группировке должно быть минимальным.

Удовлетворить эти идругие важные требования путем модернизации и СРНС первого поколения было невозможно. Поэтому, начиная с 70-х годов 20 в. в России иСША практически одновременно были начаты работы по созданиюСРНС второго поколения.2.2 СРНС второго поколения7В основу концепции построения СРНС ГЛОНАСС и GPS был положен ряд принципиальных требований, вытекающих из назначения систем. Согласно этим требованиям создаваемое ими навигационное поледолжно быть глобальным, непрерывным в пространстве и времени,обеспечивать необходимую кратность (не менее 4х) покрытия рабочейзоны, возможность НВО независимо от метеоусловий, рельефа местности (при условии радиовидимости необходимого числа НКА), а также отхарактера движения объекта.

Требовалось также обеспечить беззапросность и независимость навигационных определений. Беззапросностьсистемы означает, что процесс формирования и излучения навигационных сигналов происходит автономно ине требует инициализации состороны потребителя. Независимость подразумевает возможность определения искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя, без привлечения других средств.

При этом аппаратурапотребителя должна быть максимально компактной и иметь невысокуюстоимость, поэтому максимум функциональной нагрузки перенесен нааппаратуру НКА и КИК.В дальнейшем, по мере развития гражданских применений СРНС,таких, как управление воздушным движением и судовождением,всебольшее значение приобретали такие характеристики СРНС, как доступность, целостность и непрерывность обслуживания.Дадимопределения этим терминам:доступность (готовность) – вероятность работоспособности СРНСв момент обращения к ней и в процессе навигационного сеанса;целостность – вероятность выявления отказа системы в течение за-данного времени или быстрее;непрерывность – вероятность сохранения непрерывной работоспо-собности системы на заданном промежутке времени (Под заданным, какправило, подразумевается наиболее важный с практической точки зрения отрезок времени, например, время захода на посадку воздушногосудна.)8Современные требования к указанным характеристикам весьмавысоки.

Так, доступность при маршрутном полете должна быть не хуже0,999, а при полете в зоне аэродрома - не хуже 0,99999. Целостность, согласно требованиям ИКАО, должна быть не менее 1-5-10 при допустимомвремени предупреждения не более 1с.Для решения поставленной задачи при проектировании СРНС второго поколения были избраны среднеорбитальные НКА с высотой орбиты порядка 20 тыс. км (дальнейшее увеличение высоты орбиты нецелесообразно, так как не приводит к расширению зоны видимости НКА).Период обращения НКА при такой высоте орбиты равен примерно 12 часам.

В этом случае для того, чтобы гарантировать в любой точке Землиодновременное наблюдение не менее 4 НКА, в составе орбитальнойгруппировки должно быть не менее 18 НКА, однако для повышения точности и надежности навигационных измерений было решено увеличитьэто число до 24. Кроме изменения структуры и геометрии орбитальнойгруппировки, в СРНС второго поколения с самого начала были заложенысредства, обеспечивающие прецизионнуювзаимную синхронизациюбортовых шкал (эталонов) времени НКА. Большое внимание было уделено также развитию средств высокоточного определения и прогнозирования параметров орбит (эфемерид) НКА.

Решение перечисленных, атакже и многих других второстепенных задач позволило создать, ввестив эксплуатацию и предоставить в пользование всему населению Землидве среднеорбитальные СРНС второго поколения: российскую, получившую название ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковаясистема) и американскую, первоначально названную NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging), а в настоящее время обычно именуемуюGPS (Global Positioning System).Первоначально эти системы проектировались как сугубо военныеи предназначались для решения задач навигации стратегических ПЛ иавиации, а также для наведения ракетного вооружения, прежде всего высокоточного оружия дальнего радиуса действия.

Это обстоятельство9нашло свое отражение и в терминологии: СРНС,разработку которойВВС США начали в 1973г., получила название DNSS (Defense NavigationSatellite System –оборонительная система спутниковой навигации).Вплоть до 1991 большая часть пользовательского оборудования GPSпродавалась только по лицензиям. На десятой конференции по радионавигации, состоявшейся в 1991 г., было объявлено, что, начиная с 1993 г.,GPS как минимум в ближайшие 10 лет будет доступна на уровне стандартной точности как бесплатная, непрерывная и всемирная,.

Впоследствии этот срок был распространен «на все обозримое будущее», однаковоенные приемники, антенны и другое специальное оборудование запрещены для экспорта и в настоящее время.На 1991-92г.г. (время кризиса в Персидском заливе) пришлось ипервое крупномасштабное боевое применение GPS , причем по словамэкспертов спутниковая навигация стала одним из двух средств (под вторым подразумевалась аппаратура ночного видения), без которых победить в современной войне невозможно. Отметим, что перед началом проведения операции «Буря в пустыне» США предприняли ряд специальныхмер по расширению возможностей GPS: была пополнена группировкиНКА а орбиты шестнадцати НКА были изменены так, чтобы обеспечитьмаксимальное покрытие зоны боевых действий.

В тоже время отметим,что только 10% от общего количества высокоточного оружия, примененного во время «Бури в пустыне», использовало GPS в качестве средстванаведения ( во время боевых действий в Косово этот показатель составил95%).Интересно, что конфликт в Персидском заливе дал сильный толчок развитию коммерческого применения GPS: поскольку военные приборы нужногокласса в необходимом количестве американской про-мышленностью не выпускались, для сухопутных войск были заказаны иприобретены 10 тыс. коммерческих (гражданских) малогабаритных приемоиндикаторов, что стимулировало расширение выпуска и применениятаких устройств.

Следует признать, что финансовая политика США в10данном вопросе оказалась весьма дальновидной: быстрое развитие коммерческого сектора спутниковой навигации позволило привлечь средствагражданских потребителей , которые инвестировались в развитие системы.История применения российской СРНС ГЛОНАСС не так богата,но и в ней были заметные события, В частности, успешный во всех отношениях, но, к сожалению, ставший первым и последним полет советского космического челнока «Буран», включая эффектную автоматическую «самолетную» посадку корабля на аэродром, контролировалсяспутниковой навигационной аппаратурой отечественного производства.Ввод в эксплуатацию СРНС второго поколения стал одним изнаиболее заметных и практически важных научно-технических достижений последнего двадцатилетия ХХ в.

Опыт, полученный в процессеиспытаний и эксплуатации, показал, что создаваемое этими системамиглобальное навигационно-временное поле позволяет обеспечивать нетолько высокоточную навигацию подвижных средств, но и решать напринципиально новой основе широкий круг других прикладных задач,которые при проектировании СРНС не рассматривались.

Как следствие,возникли и быстро развиваются многочисленные приложения спутниковой радионавигации в различных сферах: от геофизических исследований до автоматического управления карьерными механизмами и автотранспортом.В настоящее время более 200 фирм во всем мире выпускают сотнитысяч экземпляров аппаратуры потребителей (АП) СРНС различныхклассов, в том числе недорогие малогабаритные приборы для индивидуальных пользователей. В результате АП СРНС, наряду со средствамимобильной связи и другими новейшими достижениями радиоэлектроники, стала не только средством сугубо профессиональной деятельности,но и предметом личного пользования, что многократно расширяет кругее потребителей.11.