Спутниковые методы радионавигации

Алматы 2016

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА АЛМАТЫ

АО «Академия Гражданской Авиации»

Авиационный колледж

Задание на

Курсовую работу

 для дневного отделения  для заочного отделения

по дисциплине Радионавигационные автоматические системы организации воздушного транспорта

(наименование)

специальность 1310000 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования (воздушный транспорт)»

(шифр, наименование специальности)

на тему: Спутниковые методы радионавигации

Разработал преподаватель__________________С. Дисенгалиева

1. Рассчитать угловой и линейный диаметры зоны видимости ИСЗ, движущегося на высоте 20 тыс. км, если минимальное значение угла места, под которым возможно его наблюдение, 5°.

2. Рассчитать длину отрезка круговой орбиты, попадающего в зону видимости ЛА, и продолжительность полета в ней для условий предыдущей задачи, если угловое расстояние плоскости орбиты от ЛА составляет 15°.

3. Определить угловое перекрытие соседних зон видимости восьми ИСЗ, располагающихся на круговой орбите высотой 20 тыс. км.

4. Рассчитать минимальное угловое перекрытие соседних зон видимости ИСЗ, обращающихся на разных орбитах, если спутники навигационной системы расположены на трех равноудаленных полярных орбитах высотой 20 тыс. км.

5. Определить поправки к с числимым координатам ЛА по результатам измерения дальностей до двух ИСЗ, азимуты и углы места которых равны соответственно 10°, 120° и 30°, 10°, а разности с числимых и измеренных дальностей составляют 1 и 5 км.

Основные вопросы:

1.Главный принцип измерения в СНС.

2.Количество спутников в СНС.

3.Высота расположения спутников.

4. Зоны видимости ИСЗ.

Содержание:

1. Введение

2. Спутниковые методы радионавигации

3. Глобальные спутниковые навигационные системы

4. Главный принцип измерения в СНС.

4.1. Количество спутников в СНС.

4.2. Высота расположения спутников.

4.3. Зоны видимости ИСЗ.

5. Задание

6. Заключение

7. Литература

Введение

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты. Суть этих методов и эффектов была реализована как в спутниковых методах радионавигации так и в СНС. Запуск глобальных систем навигации дает потребителю определения пространственного местоположения и направления движения в пределах или большей части поверхности Земли. 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 с помощью различных спутниковых методов радионавигации. Кроме того, она может использоваться для навигации на всех этапах полета. Ввиду неоспоримых технических и экономических преимуществ спутниковой системы, например стоимость бортового оборудования GPS составляет всего 18-25% от стоимости бортового оборудования VOR/DME, является толчком для наиболее точной глобальной навигационной системы путем совмещения таких СРНС как: ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, BEIDOU. Что позволить значительно увеличить точность и уменьшить погрешность вплоть до миллиметров. Именно поэтому международная организация ГА - 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).

Спутниковые методы радионавигации

Местоположение объекта определяется координатами пересечения трех поверхностей положения, являющихся геометрическим местом точек с одинаковым значением навигационного параметра. Для решения навигационной задачи, т.е. для нахождения вектора потребителя П, используют навигационные функции определяющие функциональную связь между навигационными параметрами и компонентами вектора потребителя. Навигационные функции определяются с помощью разновидностей дальномерных и разностно-дальномерных методов.

В наиболее простом дальномерном методе (рис.1) навигационным параметром является дальность Дi между i -м НС (навигационной системой) и потребителем, а поверхностью положения сфера с радиусом Дi и центром в центре масс i -го спутника.

Тут xi, yi, zi, известные на момент измерения координаты i -го спутника(с учетом его перемещения на время распространения сигнала); x, y, z, координаты потребителя.

Рис.1 Дальномерный метод

Местоположение объекта определяется координатами пересечения трех сфер, т.е. необходимо измерить дальности до трех НС (i = 1..3) и навигационная функция представляет собой систему из трех уравнений. В данном методе предполагается, что все величины взяты в один и тот же момент времени. Однако координаты НС привязаны бортовой шкале времени, а потребитель измеряет задержку радиосигнала в своей шкале времени. При наличии расхождения t шкал времени возникает смещение Д = сt измеренной дальности и, как следствие, проблемы с точность определения координат потребителя. Поэтому в настоящее время более широко применяют псевдодальномерный метод.

Под псевдодальностью понимается измеренная дальность Д изм i до i -го НС, которая отличается от истинной дальности на неизвестную, но постоянную на время определения навигационных параметров величину Д. Таким образом, для псевдодальности до i -го НС можно записать

В псевдодальномерных методах поверхностью положения по-прежнему является сфера, но радиус этой сферы изменен на неизвестную величину Д. Измерение псевдодальностей до трех НС приводит к системе уравнений с четырьмя неизвестными (x, y, z, Д). Для устранения возникшей неопределенности необходимо провести дополнительные измерения, т.е. измерить псевдодальность до четвертого спутника. Полученная таким образом система четырех уравнений имеет точное решение, и, следовательно, координаты потребителя определяются как точка пересечения четырех поверхностей положения.Необходимость нахождения в зоне видимости четырех НС предъявляет жесткие требования к структуре сети НС, которые выполняются только в средне орбитальных СРНС. Параметры орбитальной группировки НС низкоорбитальных СРНС (высота орбит, число спутников, их расстановка) обычно обеспечивают видимость в зоне потребителя 1…2 НС, поэтому определение координат потребителя в этих СРНС может осуществляться не в реальном времени, а лишь после проведения последовательных (обычно доплеровских) измерений нескольких линий положения по сигналам одного спутника.

Разностно-дальномерный метод основан на измерении разности дальностей от потребителя до i -го НС. По своей сути этот метод аналогичен псевдодальномерному методу и его применяют при наличии в дальномерных измерениях неизвестных сдвигов Д. Разностно-дальномерный метод использует от три до четырех НС, так как при постоянстве Д за время навигационных определений разности псевдодальностей равны разностям истинных дальностей, для определения которых требуется три независимых уравнений. Поверхности положения определяются из условия Дij = сonst и представляют собой поверхности двуполостного гиперболоида вращения, фокусами которых являются координаты опорных точек i и j (центров масс i -го и j -го НС). Расстояние между опорными точками называют базой измерительной системы. Если расстояние от опорных точек до потребителя велики по сравнению с размерами базы, то гиперболоид вращения в окрестности точки потребителя практически совпадает со своей асимптотой конусом, вершина которого совпадает с серединой базы. Точность определения координат потребителя при использовании этого метода такая же, как и у псевдодальномерного.

Радиально-скоростной (доплеровский) метод основан на измерении трех радиальных скоростей перемещения потребителя относительно трех НС (Рис.2). Физической основой метода является зависимость радиальной скорости точки относительно НС от координат и относительно скорости НС. Дифференцируя уравнение поверхности положения дальномерного способа по времени, получаем компоненты характеризуют вектор относительной скорости; Дi относительные координаты.

Таким образом, для определения компонент вектора скорости потребителя необходимо знать: векторы координат и скорости трех НС, а также координаты потребителя. Последние можно получить, если измерить радиальные скорости в течение некоторого времени t, а затем вычислить интеграл. Недостатком данного метода является невозможность измерения координат в реальном масштабе времени. Кроме того, в средневысотных СРНС медленные изменения радиальной скорости приводят к малым значениям разностей в алгоритмах навигационных вычислений и как следствие к снижению точности вычислений. Дополнительным недостатком метода является необходимость наличия высокостабильного эталона частоты, так как любая нестабильность частоты приводит к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты, а, следовательно, к дополнительным ошибкам измерения составляющих скорости потребителя.

Рис.2 Радиально-скоростной (доплеровский) метод

Псевдодоплеровский метод аналогичен псевдодальномерному при определении координат потребителя и позволяет определить вектор скорости потребителя в присутствии неизвестного смещения частоты сигнала, например, из-за нестабильности эталона частоты. При наличии такого смещения выражение для радиальных скоростей можно представить в виде двух слагаемых

Для нахождения вектора скорости потребителя и поправки необходимо провести измерения по четырем НС и решить систему уравнений четырех уравнений. Для ее решения потребуется знания дальностей Дi и координат { x, y, z } потребителя. Эта информация может быть получена, например, из псевдодальномерных измерений.

Разностно-радиально-скоростной метод. Сущность данного метода заключается в определении трех разностей двух радиальных скоростей НС. При этом разности можно вычислять относительно одного или относительно различных НС. По существу при вычислении разностей могут использоваться и псевдорадиальные скорости, так как при таком вычитании компенсируется неизвестное смещение (в предположении, что смещение одинаковое для различных спутников). Навигационные параметры

Поверхности положения представляют собой поверхности тела вращения, фокусами которых являются координаты центров масс i -го и j -го НС.Так же как и для "дальномерных" методов, точность определения составляющих вектора скорости в данном методе совпадает с точностью определения тех же составляющих в псевдорадиальном методе.Достоинством метода является его нечувствительность к нестабильности эталонов частоты.

Комбинированные методы используют кроме СРНС дополнительные измерители координат, имеющиеся у потребителя. Так, в дальномерном методе при наличии на борту измерителя высоты Н можно вместо измерений трех дальностей до НС ограничиться измерением двух дальностей. В этом случае навигационная функция буде включать два уравнения сферы, а третье необходимое уравнение дает измеритель высоты

(R з + H)2 = x 2 + y 2 + z 2.

Другой аспект использования комбинированных методов заключается в замене совокупности одновременных измерений на комбинацию одновременных и последовательных измерений или на совокупность только последовательных измерений, например определение координат потребителя разностно-скоростным методом.