Яценков В.С. Основы спутниковой радионавигации (2003) (1151870), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Эти факты лишний раз доказывают, что в ближайшем будущем системы спутниковой навигации будут все больше влиять на качество нашей повседневной жизни, а информация об их устройстве и возможностях имеет большую познавательную ценность для читателей, интересующихся достижениями современной науки.
11 Глава 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РАДИОНАВИГАЦИИ После изобретения радио и разработки конструкций направленных антенн, были предприняты вполне очевидные попытки применить для целей навигации радиомаяки, работающие за пределами оптической видимости. Кроме морской навигации, радиомаяки стали широко применяться (и применяются до сих пор) в авиации для прокладки и коррекции курса летательных аппаратов. Как правило, они работают в диапазоне средних волн, а для приема сигнала используется комбинированная рамочная антенна с узкой диаграммой направленности. Существуют маяки УКВ-диапазона.
Различают авиационные радиомаяки дальнего и ближнего привода. Радиомаяки позволяют скорректировать показания бортового магнитного компаса и частично заменить или продублировать его. Точность работы бортового радиокомпаса позволяет пилотам гарантированно выйти на такое расстояние к аэродрому, при котором возможна дальнейшая визуальная ориентация в пространстве, например, по местности (малая авиация) или огням взлетно-посадочной полосы.
Анализируя работу радионавигационных систем, основанных на радиомаяках, можно обнаружить, что традиционные радиокомпасы, решая с приемлемой точностью задачу курсоуказания, не позволяют решить задачу точного позиционирования на местности, т.е. определения долготы и широты объекта. В качестве примера рассмотрим простейшую схему, изображенную на рис. 1.1. Пусть у нас имеются два береговых передатчика, А и В, и расположенный на корабле приемник О. Передатчики излучают сигнал равномерно во все стороны. Антенна корабельного приемника имеет направленное действие, т.е. когда она определенным образом повернута в сторону передатчика, амплитуда принимаемого сигнала многократно возрастает. Теоретически, если мы идеально точно определили направления на передатчики, имеющие заранее известные координаты, то мы соответственно точно определили свое местоположение на единственно возможном пересечении азимутов в точке О.
12 История развития радионавигации О на радиомаяк Рис. 1.1. Определение местоположения по двум радиомаякам Расстояние до передатчиков многократно превышает длину волны, поэтому мы рассматриваем передатчики как точечные излучатели. Проблема в том, что не существует антенн с идеальной диаграммой направленности, и чем острее направленность антенны, тем сложнее ее конструкция. Кроме того, если мы хотим, чтобы система позиционирования действовала за пределами оптической видимости, мы должны использовать достаточно длинные радиоволны, способные огибать горизонт. Но чем больше длина волны, тем большие физические размеры должна иметь идеальная направленная антенна.
Поэтому точность действия направленной антенны ограничена ее разумными конструктивными размерами. Погрешность определения азимута на радиомаяк, представленную в виде некого угла ср (рис. 1.2,а), путем простейших геометрических преобразований можно условно спроецировать во встречный угол ф с вершиной в позиции радиомаяка (рис. 1.2,б). б) Рис. 1.2. Погрешность определения направления на ралиомаяк (а) и обратный угол погрешности определения направления (б) 13 Глава 1 Область вероятного местонахождения объекта Рис. 1.3.
Влияние угловых погрешностей ориентации антенны Очевидно, что с учетом погрешности определения азимутов, вместо точных координат мы получаем некую область вероятноао местонахождения, как показано на рис. 1.3. На расстояниях до радиомаяков, исчисляемых сотнями километров, погрешности измерения азимута в доли градуса проецируются в погрешности измерения местоположения, исчисляемые сотнями метров. На протяженных воздушных трассах погрешность позиционирования летательного аппарата достигает нескольких километров по величине бокового отклонения от трассы [11.
В станционарных условиях можно заметно сузить область вероятного местонахождения, принимая за основу такой угол ориентации антенны, который является средним между двумя крайними достоверными положениями. Однако на практике, в условиях нестабильно движущегося обьекта, каким может являться небольшое судно, выбрать правильные направления чрезвычайно сложно, поскольку требуется гироскопирование всего приемного антенного узла. Подобные механические системы весьма дороги и ненадежны.
Кроме этого, в случае с двумя передатчиками А и В, если они расположены на одной линии с приемной антенной, возникает абсолютная невозможность определения местоположения. Наличие третьего радиопередатчика устраняет проблему неоднозначности, но лишь незначительно повышает точность местоопределения. Следовательно, для успешного решения задачи местоопределения необходимо измерять дальности, т.е. расстояния между приемником и передатчиками. Зная лишь дальности до трех передатчиков, расположенных в одной плоскости с приемником, можно однозначно решить задачу местоопределения, как это схематически показано на рис. 1.4.
14 История развития радионавигации Рис. 1.4. Определение координат объекта по трем дальностям Координаты объекта (точка О) являются координатами точки пересечения воображаемых окружностей с радиусами Нь й~ и Яэ, равными дальностям. Третий передатчик необходим для устранения возможной неоднозначности, возникак1щей при пересечении двух окружностей (точки О и О'). Очевидно, что в случае с измерением дальностей направленность действия приемной антенны не влияет на точность позиционирования.
Но решающее значение приобретает точность синхронизации шкал времени передатчиков и приемника и величина погрешности, возникающей при измерении времени распространения сигнала. Появление в 1960-х годах чрезвычайно точных атомных часов позволило существенно снизить погрешности дальномерного метода, до уровня, достаточного для широкого применения его на практике. Практическим воплощением дальномерного метода в США является морская навигационная система ( ОНАИ (1 опц Яапде Ак1 $о йачца1юп — Навигационное оборудование дальнего радиуса действия), имеющая чрезвычайно большое значение в истории развития 6РЯ, поскольку в ней впервые было использовано определение времени прохождения сигнала от передатчика до приемника, получившее дальнейшее развитие в системах спутниковой навигации.
Значение скорости распространения радиосигнала давно известно науке, поэтому, измерив с достаточной точностью время распространения радиосигнала, можно легко вычислить точное расстояние до передатчика. Передатчик излучает 15 Глава 1 сигнал непрерывно, а время распространения сигнала вычисляется по набегу фазы за время прохождения радиоволнами расстояния до приемника. Поскольку относительный набег фазы прямо пропорционален времени лрохождения сигнала, по разности фаз между внутренним опорным сигналом приемника и принимаемым сигналом вычисляется расстояние до передатчика.
1Л. Развитие радионавигации в США Как это происходило и происходит с множеством высоких технологий, сначала 6РЯ разрабатывалась как сугубо военная система, и на деньги выделенные из государственного бюджета США на нужды Министерства обороны. Военные нуждались, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего радиуса действия, и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии.
Вполне очевидным решением было объединение этих двух задач в одну— создание системы точного позиционирования. Начиная с 1960-х годов Министерство обороны США начало развивать идею создания глобальной, всепогодной, непрерывно доступной, очень точной системы навигации и позиционирования. В случае с ОРЯ Министерство обороны США попыталось проявить редкостную дальновидность в плане последующей экономии денег. Было очевидно, что система, обладающая подобными характеристиками, имеет обширные перспективы для гражданского применения.
Поэтому с самого начала от разработчиков было затребовано, чтобы оконечное (пользовательское) оборудование было доступно самым разнообразным пользователям, но при условии, что военные смогут по своему желанию и в любой момент ограничивать его функциональность, вплоть до полного блокирования. Подразумевалось также, что распространением пользовательского оборудования будет управлять Министерство обороны США, частично компенсируя свои расходы.
Известно, что в итоге получилось не совсем так: разработкой, производством и продажей пользовательского оборудования занимаются многие независимые коммерческие организации, а реальная величина затрат многократно превысила первоначальные расчеты. Но, в любом случае, Соединенные Штаты не прогадали. Образно выражаясь, практически весь цивилизованный мир проглотил гигантскую наживку на крючке, который всегда можно подсечь. Вот эффектный пример: стоит правительству США полностью закрыть доступ к сервису 6РВ для гражданских пользователей, как во всем мире будет частично затрудне- 16 История развития радионавигации на, а в отдельных случаях и полностью парализована работа сетей мобильной связи. Дело в том, что для синхронизации сетей связи дешевле и проще всего использовать сигнал точного времени со спутников ОРЯ или ГЛОНАСС, но реально в мире заметно шире распространено оборудование стандарта 6РЯ ИАЧЯТАН.
Понимание этой проблемы привело к тому, что сейчас все большее число пользовательских приемников имеет возможность работы в двух системах. Когда основные требования к системе были определены, Военно-морские и Военно-воздушные Силы США приступили к разработке концепции использования в целях навигации и позиционирования радиосигналов, излучаемых со спутников. Безусловно, толчком к такому пути развития послужил запуск Советским Союзом первого искусственного спутника в 1957 г.
Соединенные Штаты напряженно следили за полетом советских спутников, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигнала через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спугника по орбите доплеровский сдвиг частоты. Исследования АР1 (АррИес1 РЬуз~св 1 аЬога1огу, лаборатории прикпадной физики) показали, что по доплеровскому сдвигу можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (ЕгапК Т.МсС!иге) из АР1 указал, что наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
