Принципы навигации

Ключевые составляющие спутникового комплекса навигации

Космическая составляющая

Космическая сфера, включающая спутниковые аппараты навигации, является комплексом источников сигналов радионавигации, которые отправляют в одно время огромное количество служебных данных. Ключевые функции каждого спутникового аппарата – создание и отправка радиосигналов, требуемых для потребительских навигационных определений и отслеживания работы бортовых спутниковых устройств.

Наземная составляющая

Наземная составляющая содержит космодром, командно-измерительный пункт и управляющий отдел. Космодром используется для доставки спутниковых единиц на нужные высоты при изначальном обустройстве комплекса навигации, а также время от времени он позволяет восполнять космические аппараты после их повреждения либо изнашивания. Ключевую инфраструктуру космодрома составляют техническая позиция и система запуска. Первый объект позволяет принимать, хранить, собирать ракеты-носители и спутниковые аппараты, испытывать их, заправлять и состыковывать. Второй объект позволяет доставлять носитель со спутниковым аппаратом навигации в точку отправления, устанавливать на систему запуска, проходить тесты перед запуском, заправлять носитель, наводить и запускать.

Командно-измерительная система позволяет снабжать спутниковые аппараты навигации служебными данными, требуемыми для организации сеансов навигации, контролировать и управлять ими как спутниками.

Управляющий комплекс, имеющий связь посредством радиолиний информации и управления с космодромом и командно-измерительной системой, способствует координации работы всех составляющих спутникового комплекса навигации.

Пользовательская составляющая

Пользовательская составляющая включает потребительское оборудование. Оно принимает сигналы от космической кораблей навигации, измеряет показатели навигации и обрабатывает полученные значения. Для того, чтобы решать задачи навигации, в потребительском оборудовании имеется особое вмонтированное устройство. Обилие видов имеющегося потребительского оборудования покрывает нужды наземных, морских, авиационных, космических (не дальше ближнего космического пространства) пользователей.

Функционирование комплекса навигации

Новейшая спутниковая навигация базируется на следовании теории дальномерных измерений без запросов между спутниковыми аппаратами навигации и пользователем. Это свидетельствует о том, что пользователь получает вместе с навигационным сигналом сведения о местонахождении космических аппаратов. В это же время измеряются расстояния до навигационных спутниковых аппаратов. Метод измерения этих расстояний базируется на расчете временных задержек поступающего сигнала от спутникового аппарата по сравнению с оригиналом, который генерируется потребительским оборудованием.

На рисунке изображен график расчета местонахождения пользователя с координатами x, y, z на базе расчета расстояний до 4-х навигационных спутниковых аппаратов. Разноцветными жирными линиями выделены окружности, в середине которых разместились спутниковые аппараты. Радиусы окружностей можно соотнести с реальными расстояниями, то есть фактическими расстояниями между спутниковыми аппаратами и пользователями. Разноцветные неяркие линии – это окружности с радиусами, которые можно соотнести с рассчитанными расстояниями, отличающимися от реальных и называемыми по этой причине псевдодальностями. Отличие реальной дальности от псевдодальности – значение, представляющее собой произведение скорости света на уход часов b, то есть значение смещения часов пользователя относительно системного времени. На картинке отображена ситуация, когда уход потребительских часов превышает “0” – т. е. потребительские часы идут с опережением времени системы, вследствие чего рассчитанные псевдодальности уступают реальным дальностям.

В идеале, когда расчеты выполняются верно и значения спутниковых и потребительских часов ничем не отличаются, чтобы выяснить пространственное местоположение пользователя, требуется лишь рассчитать до 3-х спутниковых аппаратов навигации.

По факту значения, которые показывают часы, входящие в состав потребительского оборудования навигации, не совпадают с показаниями бортовых часов навигационных спутниковых аппаратов. В этой ситуации для решения задачи навигации к неизвестным до этого значениям (3 потребительских координаты) нужно добавить дополнительный – смещение между потребительскими часами и временем системы. Следовательно, в общей ситуации, чтобы решить задачу навигации, пользователь должен “отслеживать” по меньшей мере четыре спутниковых аппарата навигации.

Системы координат

Для нормального функционирования спутниковых комплексов навигации нужны сведения о характеристиках вращения нашей планеты, ключевые лунные и планетарные эфемериды, информация о земном гравитационном поле, об атмосферных разновидностях, сверхточные сведения о действующих координатных и временных системах.

Геоцентрическими системами координат называются системы координат, точка отсчета которых располагается в центре масс нашей планеты. Их другое название – общеземные либо глобальные.

Для создания и обслуживания общеземных систем координат применяются 4 главных способа космической геодезии:

  • радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ);
  • лазерная локация космических кораблей;
  • доплеровские системы измерения;
  • навигационные измерения космических кораблей ГЛОНАСС и прочих глобальных спутниковых комплексов навигации.

Международная земная система координат ITRF – это идеальная модель земной системы координат.

В новейших спутниковых комплексах навигации применяются разные, в большинстве случаев отечественные, системы координат.

Временные системы

Исходя из вида задачи, которую нужно решить, применяются 2 разновидности систем времени: астрономические и атомные.

Системы астрономического времени зависят от суточного вращения нашей планеты. Идеальной моделью для создания шкал астрономического времени являются солнечные либо звездные сутки. Это зависит от местоположения точки на небе, по которой измеряется время.

Всемирное время UT – среднее солнечное время на меридиане Гринвича.

Всемирное координированное время UTC – имеет синхронизацию с атомным временем и считается стандартным во всех странах, по которому сверяется национальное время.

Атомное время – время, измеряемое с помощью электромагнитных колебаний, исходящих от атомов либо молекул во время их изменения своего энергетического состояния. В 1967 г. на Генеральной конференции мер и весов было выяснено, что атомная секунда выступает в роли перехода между  самыми тонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 главного состояния 2S1/2 атома цезия-133, на который не влияют внешние поля, и что частоте данного перехода соответствует величина 9 192 631 770 Гц.

Спутниковый комплекс радионавигации выступает пространственно-временной системой, действует в зоне, покрывающей все пространство около Земли, и использует свое время системы. Ключевое значение в глобальных спутниковых комплексах навигации имеет вопрос синхронизации подсистем по времени. Синхронизация по времени имеет большое значение и для сохранения определенного порядка передачи сигналов всех спутниковых аппаратов навигации. Она позволяет применять пассивные дальномерные (псевдодальномерные) измерительные способы. Наземный командно-измерительный комплекс позволяет синхронизировать временные шкалы всех космических кораблей навигации способом их проверки и изменения (непосредственного и алгоритмического).

Радиосигналы навигации

Выбирая разновидности и показатели сигналов, которые применяются в спутниковых комплексах радионавигации, требуется принимать к сведению множество правил и условностей. От сигналов требуются гарантии получения высокоточных измерений времени поступления (задержки) сигнала и его доплеровской частоты, а также повышенной вероятности верной расшифровки навигационных данных. Еще сигналы должны обладать пониженным уровнем взаимной корреляции, чтобы сигналы различных навигационных спутников без труда различались навигационным потребительским оборудованием. Помимо этого, сигналы глобальных спутниковых комплексов навигации должны с наибольшей эффективностью пользоваться выделенной частотной полосой при низком уровне излучения вне полосы, отличаться значительной устойчивостью к помехам.

Практически все действующие спутниковые комплексы навигации, кроме комплекса NAVIC из Индии, применяют для отправки сигналов диапазона L. Этот индийский комплекс будет отправлять сигналы еще и в S-диапазоне.

Типы модуляции

С усовершенствованием спутниковых комплексов навигации подвергались изменению применяемые типы модуляции радиосигналов.

Во многих системах навигации сперва применялись только сигналы с бинарной (2-хпозиционной) фазовой модуляцией – ФМ-2. Сегодня в спутниковых комплексах навигации происходит переход к иному модуляционному типу, называющемуся BOC-сигналами.

BOC-сигналы отличаются от сигналов с ФМ-2 главным образом тем, что символ моделирующей ПСП BOC-сигнала является не видеоимпульсом в форме прямоугольника, а участком меандрового колебания, который включает в себя заданное неизменное количество периодов k. По этой причине сигналы с BOC-модуляцией зачастую носят название “меандровые шумоподобные сигналы”.

Применение сигналов с BOC-модуляцией способствует повышению потенциальных точностных характеристик измерения и разрешающего показателя по задержке. В это же время сокращается уровень взаимных помех при одновременной работе систем навигации, применяющих классические и обновленные сигналы.

Навигационная информация

Все спутниковые аппараты получают от наземных управляющих станций навигационные данные, передаваемые обратно потребителям в составе навигационного сообщения. Навигационные сообщения включают в себя различные данные, нужные для определения координат потребителя и синхронизации его временной шкалы со стандартом, использующимся в стране.

Виды сведений навигационного сообщения:

  • эфемеридные данные, требуемые для определения координат спутникового аппарата с приемлемыми точностными характеристиками;
  • погрешность расхождения временной шкалы на борту с системной временной шкалой для того, чтобы учитывать временные смещения космического корабля при измерениях навигации;
  • различия между временной шкалой системы навигации и национальной временной шкалой, требуемые для того, чтобы решить задачи синхронизации пользователей;
  • признаки пригодности со сведениями о состоянии спутникового аппарата для быстрого исключения космических аппаратов с обнаруженными отказами из навигационного решения;
  • комплекс данных об орбитах и состоянии каждого корабля в группе для долговременного детального прогнозирования перемещений космических кораблей и составления планов измерений;
  • характеристики модели ионосферы, которые нужны одночастотным устройствам приема для того, чтобы компенсировать неточности навигационных измерений, вызванных замедлением перемещения сигналов в ионосфере;
  • характеристики вращения нашей планеты для точности обнаружения потребительского местонахождения во всех системах координат.

Обновление признаков пригодности происходит через пару сек. при выявлении отказа. Эфемеридные и временные характеристики обычно обновляются каждые 30 мин. или реже. Кроме того, срок обновления для различных комплексов индивидуален и может составлять 4 ч., а вот обновление альманаха происходит только раз в 24 часа или реже.

По типу содержащихся сведений навигационное сообщение бывает оперативным и неоперативным и отправляется в форме потока цифровой информации. Поначалу в каждом спутниковом комплексе навигации применялась структура типа “суперкадр/кадр/строка/слово”. При такой структуре поток цифровых данных представляет собой последовательность сменяющих друг друга суперкадров, в составе суперкадра — ряд кадров, в составе кадра – ряд строк.

Согласно структуре “суперкадр/кадр/строка/слово” создавались сигналы комплексов БЭЙДОУ, ГАЛИЛЕО (за исключением E6), GPS (LNAV информация, L1), сигналы российского глобального спутникового комплекса навигации с разделением по частотам. Исходя из типа комплекса размеры суперкадров, кадров и строк имеют различия, а вот метод формирования не меняется.

Сегодня почти во всех сигналах применяется гибкая структура строки. В такой структуре навигационное сообщение создается в форме непостоянной последовательности строк разных видов. Каждая разновидность строки обладает собственной индивидуальной структурой и имеет в составе заданный тип данных (об этом рассказывалось выше). Навигационная потребительская аппаратура находит в потоке следующую строку, выявляет ее разновидность и на основании этого собирает данные, имеющиеся в данной строке.

Гибкая структура строки навигационного сообщения помогает гораздо продуктивнее работать с пропускной способностью канала отправки информации. Однако основное преимущество навигационного сообщения с гибкой структурой строки – это возможность ее эволюционного обновления при следовании условию обратной совместимости. Для этих целей в интерфейсно-контрольном документе для создателей навигационной пользовательской аппаратуры отдельно обозначается, что, если потребительское оборудование навигации в навигационном сообщении обнаруживает нетипичные строки, оно будет их просто пропускать. Это предоставляет возможность добавления во время обновления глобального спутникового комплекса навигации к до этого известным типам строк строки современных типов. Навигационная пользовательская аппаратура старого образца пропускает строки с современными типами и, как следствие, не применяет новшества, вводимые во время обновления комплекса навигации, однако при этом ее рабочие показатели остаются прежними.

Сообщения сигналов отечественной системы навигации с разделением по кодам обладают строковой структурой.

Что может привести к ухудшению точностных характеристик

На точностные характеристики определения пользователем собственного местонахождения, скоростных показателей движения и времени оказывают влияние огромное количество факторов, подразделяющихся на:

  • погрешности системы, которые вносятся оборудованием космического комплекса. Погрешности, которые имеют связь с работой спутникового оборудования на борту и наземного управляющего комплекса глобальной спутниковой системы навигации, возникают чаще всего из-за ошибок частотно-временного и эфемеридного обеспечения;
  • неточности, которые возникают на пути следования сигнала от корабля на орбите до пользователя. Погрешности возникают из-за отличия скоростных характеристик следования радиосигналов в земной атмосфере от скоростных характеристик их следования в безвоздушном пространстве, из-за того, что скорость зависит от физических параметров разных атмосферных слоев;
  • погрешности, которые возникают в потребительских устройствах. Погрешности устройств делятся на систематическую погрешность замедления сигнала оборудования в пользовательском оборудовании и флуктуационные погрешности, вызванные шумовыми эффектами и движением пользователя.

Помимо этого, на точностные характеристики навигационно-временного определения оказывает огромное влияние то, как располагаются по отношению друг к другу спутниковые аппараты навигации и пользователь.

Количественным показателем погрешности определения координат и поправки значений, отображаемых часами, которая связана с нюансами расположения спутникового аппарата и пользователя в пространстве, является т. н. геометрический фактор (коэффициент геометрии). В материалах на английском языке фигурирует обозначение GDOP.

Коэффициент геометрии говорит о том, во сколько раз уменьшились точностные показатели измерений, и определяется такими величинами, как:

  • геометрический фактор точностных характеристик расчета координат пользователя навигационной системы в пространстве. Обозначение в англоязычных материалах – PDOP;
  • геометрический фактор точностных характеристик расчета координат пользователя навигационной системы в горизонтальной плоскости. Обозначение в англоязычных материалах – HDOP;
  • геометрический фактор точностных характеристик расчета координат пользователя навигационной системы в вертикальной плоскости. Обозначение в англоязычных материалах – VDOP;
  • геометрический фактор точностных характеристик расчета поправки показаний часов пользователя навигационной системы. Обозначение в англоязычных материалах – TDOP.

Как повысить точностные характеристики навигационного обеспечения

Действующие сегодня глобальные спутниковые комплексы навигации GPS и ГЛОНАСС обеспечивают удовлетворение потребности в навигационном обслуживании множества пользователей. Однако сейчас остаются нерешенными несколько задач, требующих высокоточного навигационного обеспечения. Среди них – взлет, подготовка к посадке, приземление летательных аппаратов, вождение судов вблизи берега, навигация вертолетов и автотранспорта и проч.

Стандартный способ повышения точностных характеристик навигации – применение дифференциального (относительного) режима определений.

Относительный режим предусматривает применение 1 либо нескольких основных устройств приема, расположенных в местах с определенными координатами, которые в одно время с устройством приема пользователя (нестационарным) принимают сигналы одних и тех же спутниковых аппаратов.

Повышение точностных характеристик навигационных определений происходит благодаря тому, что погрешности измерения навигационных показателей основного и пользовательского устройств приема не коррелируются. При определении разности рассчитываемых показателей происходит компенсация большинства этих погрешностей.

Относительный метод основывается на знании местоположения точки опоры – контрольно-корректирующего пункта либо комплекса опорных пунктов, относительно которых могут быть определены поправки к расчету псевдодальностей до спутниковых аппаратов навигации. Если данные поправки будут учтены в пользовательском оборудовании, точностные характеристики определения, в том числе, местоположения можно повысить во много раз.

Чтобы использовать относительный режим на больших территориях – к примеру, в РФ, Евросоюзе, Америке – корректирующие дифференциальные поправки отправляются с применением геостационарных спутниковых аппаратов. Системы, которые реализуют этот подход, называются широкозонными дифференциальными системами.

Все подробности о системах функциональных дополнений глобального спутникового комплекса навигации, предоставляющих пользователям расширенные корректирующие данные, можно найти во вкладке “Функциональные дополнения”.

Российские власти планируют объединить “зоопарк” бортового оборудования

Российские власти намереваются внести корректировки в федеральный законодательный акт “О навигационной деятельности”. Сейчас проект активно обсуждается.

В интервью изданию “Вестник ГЛОНАСС” специалист по международным спутниковым навигационным средствам Г. Шульгин рассказал, что упомянутые корректировки нацелены на систематизацию и аналитику навигационной практики в отраслях автотранспорта и оказание навигационного обслуживания.

В проекте предполагаемых корректировок упоминается ранее неизвестный термин “многофункциональное бортовое устройство”. Данное понятие будет выступать измерительным средством. Со слов специалиста, это означает, что его должны в обязательном порядке утвердить в качестве измерительного средства с указанием типовой принадлежности. Все измерительные средства перед началом использования должны быть подтверждены свидетельством первичной проверки и проходить систематическую проверку каждые 2 года. Итак, законодательство принуждает всех изготовителей и поставщиков этого оборудования организовывать обязательную сертификацию каждой выпускаемой модели, чтобы ее можно было эксплуатировать в роли многофункциональной бортовой аппаратуры. Перед тем, как установить подобное оборудование в транспортное средство, необходимо проверить, отвечает ли оно установленным требованиям в лабораторных условиях. Во время использования с определенной периодичностью подобное оборудование необходимо или снимать и отвозить в центр сертификации, или транспортное средство должно прибывать в центр сертификации для осуществления процедуры систематической проверки в целях подтверждения имеющихся технических параметров, в частности, отсутствия постороннего вмешательства и типа передаваемой информации.

Специалисты много раз пытались превратить навигационные терминалы в измерительные средства, буквально с первых месяцев их эксплуатации в сфере автотранспорта, однако мероприятия постоянно переносились по ряду причин. Сейчас же настало время, когда планы можно воплотить в жизнь. Эти меры обеспечат повышение надежности и безопасности устройств путем вытеснения с рынка изготовителей продукции низкого качества, которые не дают гарантий точности навигации, бесперебойности средств связи и защиты информации от внесения корректировок либо подмены во время передачи сведений в навигационно-информационные комплексы для наблюдения за функционированием транспортных средств. Помимо обеспечения безопасности информации непосредственно в бортовом оборудовании законодательством предусмотрены средства криптографической защиты в процессе передачи сведений по каналам связи, что тоже обеспечит защиту информации от подмены либо изменения перед ее отправкой в контролирующие структуры. Данное предложение могут крайне негативно воспринять нечестные изготовители и пользователи, которые в настоящее время способны выполнять имитацию работы оборудования в целях утаивания истинной информации об эксплуатации транспортного средства.

Диспетчерам навигационно-информационных комплексов и внедренцам для соблюдения сертификационных требований необходимо будет усовершенствовать собственные внутренние процессы для прохождения любым внедряемым устройством первичной проверки перед его отправкой заказчику и разработать схемы временной замены аппаратуры в целях организации систематических поверочных мероприятий.

Кроме того, в законопроекте указано, что многофункциональное бортовое оборудование, помимо навигационных функций, должно производить обмен данными со вспомогательным бортовым оборудованием. Это говорит о том, что многофункциональное бортовое оборудование может применяться для сбора информации о технических характеристиках транспортного средства, к примеру, с CAN-шины, со вспомогательных датчиков (количества топлива, автоматической сигнализации, электронных пломб и прочей аппаратуры, находящейся в машине).

Касательно интеграции навигационных комплексов, законопроектом предусматривается интеграция информации между навигационными комплексами и средствами сбора оплаты за пользование автотрасс большегрузами массой свыше 12 т. Это сделает возможными унификацию бортовых устройств и объединение телематических терминалов разных госсистем, к примеру, с терминалом системы “Платон”. Кроме того, это гарантирует снижение стоимости аппаратуры и повышение ее надежности, поскольку не нужно будет внедрять несколько устройств – будет достаточно установки единственного многофункционального терминала.

Касательно контролирования функционирования автотранспорта, законопроектом предусматривается создание региональных информационно-навигационных комплексов, которые уже не один год с успехом используются в разных областях России. Эти комплексы разрабатываются, чтобы местные органы исполнительной власти смогли исполнять свои контрольно-надзорные обязанности, а также чтобы производилось предоставление качественных госуслуг в транспортной отрасли и надлежащим образом контролировалась эксплуатация автодорог. В настоящее время региональные информационно-навигационные комплексы применяются в целях отслеживания автоперевозок общественным транспортом, школьными автобусами, техники жилищно-коммунального хозяйства, мусоровозами и в целях реализации вспомогательных инструментов, например, разработки и использования сетей сверхточной навигации и точного времени. Данные инструменты могут применяться в сфере автотранспорта, к примеру, в страховой телематике, во время строительных и ремонтных работ и при наблюдении за транспортными инфраструктурными конструкциями (мостами, придорожными постройками, оползнеопасными геомассивами и проч.). А в будущем сверхточная навигационная информация может найти применение в управлении беспилотным транспортом. Сигналы точного времени сегодня могут быть полезны при синхронизации основных станций мобильной связи, при синхронизации бортовых часов любых типов транспорта: воздушного, ж/д, морского и автомобильного.