Старчиков спутниковая аэронавигация (1006337), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Рис. 4.2. Измерение времени прохождения сигнала от спутника

Большинство СНС приемников обеспечивают измерение времени с точностью до сек (т.е. до одной наносекунды).

Для высокоточного определения позиции ВС необходимо, чтобы точность синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителей соответствовала потребной точности измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника.

На спутниках устанавливаются комплекты из четырех высокоточных атомных часов и, кроме того, эти часы корректируются наземными станциями управления. В СНС приемниках устанавливаются сравнительно неточные кварцевые часы.

Погрешность определения момента времени t по часам приемника, по сравнению с отсчетом на часах спутников, определяется компьютером аппаратуры потребителя в результате вычисления по специальному алгоритму.

Предположим, что спутники и приемник СНС находятся в одной плоскости. Если t=0, т.е. нет погрешностей в измерении времени прохождения радиосигнала одновременно от трех спутников, то линии положения пересекутся в одной точке. В тех же случаях, когда погрешность t, то вычисленные линии положения будут отстоять от фактических линий положения на величину ct и образовывать некоторую область возможных положений приемника СНС (область погрешностей). Размеры этой области определяются величиной ct и углами пересечения линий положения. По специальному алгоритму в компьютере приемника СНС после серии измерений обеспечивается вычисление величины t, которая становится третьей координатой, определяющей позицию приемника на плоскости (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Влияние на определение позиции ВС погрешности во времени

Для вычисления погрешности в определении времени по часам приемника СНС и местоположения приемника СНС в пространстве (т.е. в системе трех координат), необходимо одновременное измерение расстояний до четырех спутников. При этом погрешность во времени t является некоторой четвертой координатой. И, следовательно, четыре поверхности положения в виде сфер с радиусами, равными соответствующим дальностям от четырех спутников, определяют некоторую область возможных положений приемника СНС.

Таким образом, для высокоточного определения позиции ВС в реальном масштабе времени, необходимо сочетание многоканального приемника и быстродействующего компьютера. Приемник обеспечивает одновременный прием сигналов от четырех спутников, компьютер вычисляет погрешность часов t и координат приемника в выбранной системе координат.

В тех случаях, когда возможен прием сигналов только от трех спутников, то в алгоритмах аппаратуры потребителей СНС в качестве четвертого спутника принимается центр Земли. И, следовательно, одной поверхностью положения является сфера с радиусом, равным расстоянию от центра Земли до ВС (до приемника СНС). Расстояние от центра Земли до поверхности общеземного эллипсоида вычисляется компьютером аппаратуры потребителя СНС, а расстояние от поверхности эллипсоида до ВС (абсолютная высота) вводится в компьютер вручную или автоматизировано от бортовых систем ВС.

Высокоточное определение местоположения ВС возможно только при условии точного вычисления координат навигационных спутников на момент измерения расстояний до спутников. Рабочие орбиты спутников выбраны такими, чтобы была обеспечена высокая точность сохранения спутниками заданных орбит и периода обращения относительно центра Земли. Эфемериды спутников (параметры, определяющие их положение на орбите) определяются и уточняются с помощью наземного командно-измерительного комплекса. Информация об эфемеридах всех спутников, в виде так называемого "альманаха", вводится в память компьютера аппаратуры потребителя СНС сигналов. И, следовательно, компьютер обеспечивается данными для вычисления координат спутников на любой момент времени. Но, так как под воздействием гравитационных пульсаций Луны и Солнца и давления солнечного излучения на поверхность спутника, возникают изменения в эфемеридах спутника, то на наземном командно-измерительном комплексе определяются эфемеридные ошибки, которые передаются на спутник. В сигналах, передаваемых спутником, содержится информация об эфемеридных ошибках данного спутника.

Данные об эфемеридах спутника, содержащиеся в альманахе, и информация об эфемеридных ошибках, обеспечивают высокоточное вычисление координат спутника компьютером приемника СНС.

Возможная точность измерения расстояния до спутника оценивается суммарной средней квадратической погрешностью в определении дистанции до спутника = 5-10м. Точность определения координат позиции приемника СНС определяется не только величинами погрешностей в измерении расстояний до спутников, но и взаимным расположением поверхностей положения приемника СНС, т.е. взаимным расположением спутников.

Предположим, что два спутника и приемник СНС расположены в одной плоскости (рис. 4.4). Обе линии положения определяются с погрешностью D. Тогда область возможного положения приемника СНС будет значительно меньше при угле пересечения линий положения, близком к  (рис. 4.4а), чем при угле пересечения, близком к  (рис. 4.4б). Возможная погрешность в определении координат за счет так называемого "геометрического фактора" может возрасти в несколько раз.

Рис. 4.4. Влияние на определение позиции ВС “геометрического фактора”

При измерении расстояний до четырех спутников погрешности D также определяют область возможного нахождения приемника СНС, и точность определения координат находится в большой зависимости от взаимного расположения спутников, а если в поле зрения антенны приемника СНС находится более четырех спутников, то по определенному алгоритму могут быть выбраны четыре спутника, взаимное расположение которых обеспечивает, в данный момент наибольшую точность вычисления позиции ВС.

Для оценки влияния взаимного расположения спутников и приемника СНС на точность определения координат используется критерий GDOP - Geometric Delution of Precision (Геометрическое снижение точности, "геометрический фактор"). Геометрический фактор GDOP, как правило, обозначается аббревиатурой DOP (в некоторых приемниках СНС этот критерий обозначается PDOP - Position Delution of Precision).

Величина критерия DOP определяется из следующих соображений. Если позиции четырех спутников: и потребителя M (рис. 4.5) рассматривать как вершины многогранника, соединив их прямыми линиями, то будет очерчен некоторый объем V. И чем лучше взаимное расположение спутников для пеленгования, тем будет больше объем V такого многогранника, определяющий величину DOP.

Рис. 4.5. Многогранник, определяющий “геометрический фактор”

Величина критерия DOP принимается обратно пропорциональной объему V с учетом некоторого коэффициента пропорциональности k:

DOP = k /V.

Величина DOP, как правило, колеблется от единицы до 10. Считается, что при DOP  4 обеспечивается высокая точность определения позиции ВС. Используя сведения из Альманаха, компьютер в аппаратуре потребителя непрерывно вычисляет критерий DOP, определяя лучшую четверку, как правило, из шести-восьми спутников.

Средняя квадратическая радиальная погрешность в определении позиции ВС с учетом геометрического фактора может быть оценена по формуле:

где - средняя квадратическая радиальная погрешность при DOP = 1,0.

За счет оптимального выбора для пеленгования четырех спутников из находящихся в поле зрения антенны, как правило, шести-восьми спутников, точность определения позиции ВС повышается в четыре-шесть раз.

Таким образом, высокая точность определения позиции приемника СНС обеспечивается на основе следующих основных принципов:

• использования в качестве первично определяемого навигационного параметра дальности до спутника;

• определения времени прохождения сигнала от спутника с помощью специального генерируемого на спутниках и в аппаратуре потребителя псевдокода;

• обеспечения точной синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителя;

• вычисления в аппаратуре потребителя с помощью Альманаха и эфемридных поправок координат спутника;

• оптимального выбора спутников для пеленгования с учетом их взаимного расположения.

Использование псевдослучайного кода в СНС обусловлено не только необходимостью обеспечения высокоточного измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника СНС, но и необходимостью принимать и обрабатывать очень слабые радиосигналы от спутника.

Сигналы от навигационных спутников настолько слабы, что не могут быть зарегистрированы на фоне естественного радиоизлучения Земли. Естественный радиошум Земли - это случайные вариации электронных пульсаций. В то время как принимаемый псевдослучайный код - это строго определенная последовательность электронных импульсов. А, так как псевдослучайный код повторяется каждую микросекунду, то с помощью быстродействующего компьютера представляется возможным выполнять многократное сравнение принимаемых сигналов и выделять псевдослучайный код на фоне естественного радиошума Земли. В результате, приемник СНС может иметь очень маленькую антенну, а, в целом аппаратура потребителя сравнительно небольшие габариты и вес и, кроме того, относительно небольшую стоимость. А это, в свою очередь, способствует превращению СНС в систему массового использования.

Одна из важнейших причин применения псевдослучайного кода в СНС - это целесообразность использования всеми спутниками одной и той же несущей частоты в своих передатчиках. Но, так как каждый спутник передает только ему присущий код, приемник легко может отличить сигналы конкретного спутника, и спутники не "забивают" друг друга, работая на одной и той же частоте.

Применение псевдослучайного кода в СНС позволяет также собственнику системы контролировать режим доступа к системе.

Так в американской GPS применяются два вида кодов:

• C/A-code (Clear/Acquisition - свободного использования);

• P-code (Protected - защищенный).

P-код засекречен и доступ к нему имеет только Министерство обороны США. C/A-код является общедоступным. Но в процесс использования C/A-кода может быть введен режим S/A (Selective Availability - ограниченного доступа), который предназначен для снижения точности пеленгования простым "загрублением" сигналов времени, передаваемых спутником.

Для повышения точности определения координат ВС, например, при выполнении захода на посадку, в СНС предусмотрен дифференциальный режим.

Характеристики

Список файлов книги