Глобальные спутниковые навигационные системы

Глобальные спутниковые навигационные системы относятся к классу многопозиционных РНС (радионавигационных спутников) и предназначены для определения пространственного местоположения и направления движения потребителей в пределах или большей части поверхности Земли. Возможны также региональные СНС (спутниковые навигационные системы), обслуживающие ограниченные территории. Для авиационных целей представляют интерес СНС, обеспечивающие непрерывное определение пространственного местоположения летательного аппарата (ПМЛА).

Основу СНС составляет сеть (созвездие) навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), выполняющих функцию опорных радионавигационных точек (РНТ), отношение которых измеряет навигационные параметры. Конфигурация созвездия и число М ИСЗ выбираются из условий получения требуемой зоны для СНС, избыточного числа видимых спутников в точке приема (для выбора подходящих по геометрическому фактору рабочего созвездия), удобства управления системой и наименьшего влияния возможного движения спутника факторов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;

Проще говоря, это есть информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

На сегодняшний день самыми значительными являются следующие спутниковые навигационные системы:

· NAVSTAR (GPS) — принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

· ГЛОНАСС — находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

· Бэйдоу — развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

· Galileo — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстоянии от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения, и если он не устарел – мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Применение методов определения местоположения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС для радионавигационных целей началось в Казахстане в 90-х годах прошлого века. Выявились их существенные преимущества по сравнению с традиционными радионавигационными методами. К ним относятся широкий диапазон точностей (от десятков метров до миллиметров на расстояниях в тысячи километров), независимость от погоды, времени суток и года, от взаимной видимости между пунктами, высокая автоматизация и, как следствие, оперативность, возможность работы непрерывно и в движении. Главным преимуществом явилась возможность позиционирования в трехмерном пространстве.

Вместе с тем применение спутниковых методов на практике выявило ряд недостатков: зависимость от препятствий, уязвимость от радиопомех, дорогое оборудование, но особенно необходимость в кардинальной корректировке теории и практики проведения геодезических работ с учётом нового подхода к координатным преобразованиям результатов спутниковых наблюдений.

В связи с этим для повышения эффективности применения спутниковых радио навигационных систем (СРНС) требовалось решение следующих задач:

-подготовка кадров высокой квалификации, способных обеспечить высокое качество выполнения работ по спутниковому позиционированию объектов местности, пунктов радионавигационных сетей различного назначения;

- разработка и выпуск аппаратуры и программного обеспечения;

-усовершенствование (модернизация) космических аппаратов, системы слежения и обработки траекторных измерений (наземный сегмент СРНС).

Выполнение этих задач было невозможно без решения проблем методологического и технологического обеспечения спутникового метода. Для Казахстана это было особенно важно, поскольку подавляющая часть аппаратуры и программного обеспечения до последнего времени поступала к нам из-за рубежа. Техническая документация к ним обычно ограничивалась описанием возможных опций без приведения какой-либо теории.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д. Спутниковые системы работают только в УКВ-диапазоне.

Основные преимущества спутниковых навигационных систем (СНС)

Одним из основных направлений использования искусственных спутников Земли в авиации является их применение для навигации, воздушных судов и направления воздушного движения.

Основная функция системы — определение трехмерных координат пользователя, вектора скорости и времени. Кроме того, она может использоваться для навигации на всех этапах полета:

· рулении;

· взлете;

· полете по маршруту;

· заходе на посадку по категориям ИКАО;

а так же при:

· управлении воздушным движением;

· обеспечении безопасности полетов;

· проведении спасательных операций;

· проведении географических привязок.

Помимо уникальной, недостижимой для других устройств точности, система обладает большой гибкостью применений и легко сопрягается с другими традиционными бортовыми системами - инерциальными, радиотехническими и т. д.. Кроме использования СНС в целях повышения точности и надежности

навигации воздушных судов. Значительно снижаются прямые расходы

государств по обеспечению воздушного движения. Так, например, стоимость

бортового оборудования GPS составляет 18-25% от стоимости бортового

оборудования VOR/DME, а стоимость наземного оборудования GPS,

предназначенного для обеспечения посадки ВС, составляет 10% от стоимости

системы посадки ІLЅ. При этом следует учесть, что для аэродрома с двумя ВПП необходимо иметь четыре комплекта ІLЅ и только один комплект соответствующего наземного оборудования GРЅ.

Ввиду неоспоримых технических и экономических преимуществ

спутниковой системы, ИКАО было принято решение о создании всемирной

спутниковой системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения - СNЅ/АТМ (Communication Navigation and Surveillance/Air Traffic Management) с использованием глобальной навигационной спутниковой системы GNSS (Global Navigation Satellite System).

Решение навигационных задач на всех этапах полета перекладывается на спутниковые системы и соответствующее бортовое оборудование. Предполагается, что СНС постепенно заменит все существующие навигационные системы, используемые в настоящее время, и станет единственным средством, обеспечивающим навигацию на всех этапах полета.

Включая обеспечение точного захода на посадку по третьей категории ИКАО.

В настоящее время разработаны требуемые навигационные характеристики, которые определяют требования, предъявляемые к точности выдерживания навигационных параметров на различных этапах полета и в различных районах воздушного пространства.