Спутниковые навигационные системы
Определение местоположения на основе данных от спутниковых навигационных систем (СНС) обеспечивает высокую точность вычисления координат, скорости и направления движения различных объектов, а также существенно повышает эффективность систем сотовой связи за счет высокоточной временной синхронизации TDMA и CDMA-систем.
С 90-х годов XX века действуют 2 крупнейшие спутниковые навигационные системы: глобальная навигационная Спутниковая система GPS, ранее известная как NAVSTAR (США), и глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС (Россия).
Навигационные системы GPS и ГЛОНАСС предоставляют информацию о местоположении, скорости движения и времени (Position, Velocity, Time, PVT) при любых погодных условиях неограниченному числу абонентов на Земле, в воздушном и морском пространстве.
Обе системы разрабатывались для нужд военных ведомств, однако позже они стали доступны для гражданского использования, являясь в настоящее время системами двойного назначения.
Система GPS разработана в Министерстве обороны США (Мо США), ее часть — стандартная служба позиционирования (Standard position Service, SPS) находится в свободном доступе, официальное разрешение об использовании GPS в гражданских целях было предоставлено Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) и Международной морской организацией (ИМО).
Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС начала эксплуатироваться в октябре 1982 г. после запуска первого спутника «Космос-1413». В 1994 г. Россия предоставила международному сообществу для гражданского использования СНС «ГЛОНАСС» и передала ИКАО описание структуры навигационных сигналов.
Спутниковые навигационные системы состоят из 3 основных сегментов:
космического сегмента,
наземного управляющего сегмента (комплекса управления),
абонентских приемников (пользовательского сегмента).
Космический сегмент состоит из орбитального созвездия, как правило, из 24 спутников (такое количество спутников способно охватить всю земную поверхность равномерным полем радионавигационных сигналов с запасом по высоте порядка 2000 км). Каждый из спутников передает навигационный код, по которому приемник определяет расстояние до спутника. Этого достаточно для большинства применений навигационных систем на Земле, в воздушном, морском пространствах. Данные навигационных сообщений, переданные со спутников, позволяют определить точное местоположение на момент передачи сигналов. СНС — это пассивные системы, т.е. пользователь может только принимать спутниковый сигнал и не имеет обратной связи со спутником.
Все спутники контролируются наземной системой управления, осуществляющей мониторинг навигационного поля, непрерывное слежение за созвездием спутников, управляющей ими и обновляющей навигационные данные.
С помощью эталонных приемников измеряются сигналы со спутников, и результаты таких измерений используются для получения параметров орбит (эфемерид) для каждого спутника, а также для вычисления сдвига часов спутника относительно общесистемного времени. Сведения об эфемеридах и смещении часов загружаются на спутники для передачи конечным пользователям.
Спутники осуществляют:
прием, дешифровку и отработку команд управления режимами функционирования спутника на орбите от наземного комплекса управления (НКУ);
прием и обработку кодов коррекции бортовой шкалы времени;
контроль состояния бортовой аппаратуры (совместно с наземным комплексом управления), выработку сигналов о текущей работоспособности и их передачу наземному сегменту.
Пользовательскому приемнику для определения местоположения необходимо иметь информацию о положении спутника и времени передачи сигнала от каждого спутника.
Приемник определяет собственное местоположение по времени прохождения сигнала от спутников (ТоА), измеряя расстояние до спутника как произведение групповой скорости распространения радиоволн на время прохождения сигнала по трассе «спутник приемник».
Полученный результат называется псевдодальностью (R) и раскрывает принцип, согласно которому время распространения сигналов однозначно соответствует расстоянию между спутником, чьи координаты известны, и приемником, местоположение которого неизвестно. Теоретически, достаточно 3 спутников для определения координат приемника, находящегося в зоне пересечения трех сфер, каждая с радиусом, равным псевдодальности.
На каждом спутнике имеется несколько высокоточных атомных часов, предназначенных для обеспечения стабильности времени, достаточной для того, чтобы наземный сегмент определял время, переданное со спутника, с точностью до нескольких наносекунд.
Данные об эфемеридах, содержащиеся в навигационном сообщении, позволяют определить положение спутника с точностью до нескольких метров.
В связи с тем, что местоположение спутников изменяется во времени, необходимо постоянно проверять параметры выбранного для навигационных расчетов спутника, а при необходимости менять состав рабочего созвездия. Приемник может терять выбранный спутник из видимости по причине того, например, что здания экранируют, а листва деревьев значительно ослабляет сигналы навигационных спутников. Даже когда приемник определяет, что тот или иной спутник находится в зоне видимости, его сигнал по указанным причинам может не приниматься, поэтому алгоритмы управления приемником должны компенсировать такие ситуации.
В приемнике осуществляется непрерывный контроль целостности навигационных сигналов по так называемым RAIM-алгоритмам (Receiver Autonomous Integrity Monitoring – автономный контроль целостности в приемнике) с помощью которых решается задача обнаружения неисправного спутника (или некачественного сигнала) и исключения его из расчетов. Данная задача решается путем использования статистических методов, хотя прогресс в создании микроэлектронных компонентов позволяет создавать многоканальные устройства слежения за сигналами, способные анализировать данные от 8 до 12 спутников одновременно.
Современные приемники, как правило, могут принимать сигналы со всех спутников, находящихся в зоне прямой видимости.
Сегмент управления ГЛОНАСС выполняет те же функции, что главная станция управления GPS, в него входят шесть элементов:
1) центр управления системой (Московская область, г. Краснознаменск);
2) центральный синхронизатор (Московская область, г. Щелково);
3) командные станции слежения (г. Щелково Московской области, гг. Санкт-Петербург, Воркута, Якутск, Енисейск, Улан-Удэ, Уссурийск и Петропавловск-Камчатский);
4) навигационная система контроля фаз сигналов (Московская область, г. Щелково);
5) квантово-оптическая станция (г. Комсомольск-на-Амуре);
6) аппаратура контроля навигационного поля (Московская область, г. Щелково).
Центр управления системой распределяет и координирует работу всех системных функций. Определение и прогнозирование параметров движения спутников осуществляется центром управления на основе результатов измерений, поступающих от сети наземных станций слежения. Эфемериды созвездия определяются по результатам наблюдения за сигналами спутников и контролю навигационного поля в целом.
На спутниках ГЛОНАСС также есть отражатель лазерного луча, позволяющий с помощью высокоточных лазерных систем непосредственно измерять дальность, параметры орбиты и осуществлять телеметрический контроль.
В связи с тем, что сегмент управления расположен в России, в течение длительных периодов времени спутники становятся невидимыми для наземных станций, что является недостатком системы ГЛОНАСС.
Характеристики радиосигналов ГЛОНАСС
В ГЛОНАСС используется частотное разделение каналов, и номинальные значения рабочих частот навигационных радиосигналов в субполосах L1 и L2 определяются по следующим выражениям:
fk1= f01 + k∆f1
fk2= f02 + k∆f2
где k= -7,…, 0, 1, …, 24— номер канала несущей радиосигналов.
В настоящее время канал k = 0 не используется пользователями ГЛОНАСС, т.к. предназначен для тестирования резервных Спутников ГЛОНАСС во время развертывания созвездия. Распределение каналов k = 1, 2, …, 24 между спутниками указывается в данных альманаха, передаваемых спутниками.
Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в диапазоне L1 и L2 когерентны и формируются от одного эталона частоты:
f01 = 1602 МГц; ∆f1 = 562,5 кГц — для частоты L1;
f02 = 1246 МГц; ∆f2= 437,5 кГц — для частоты L2.
Отношение рабочих частот несущей L1 иL2 каждого спутника — fk1/fk2— составляет 9/7. Сдвиг несущих частот вследствие релятивистских эффектов может достигать ∆f/f = - 4,36·10-10 (реальные частоты остаются в диапазоне ±2·1О-11 номинального значения).
Сигналы 2 взаимоантиподных спутников, находящихся в одной орбитальной плоскости, не могут одновременно приниматься наземным приемником, для таких спутников допускается применение одинаковых несущих частот, а для полного созвездия из 24 спутников достаточно 12 несущих частот в каждом частотном диапазоне.
В ГЛОНАСС, как и в GPS, в качестве сигналов для измерения дальности передаются два ПСП-кода. В диапазоне L1 каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает 2 несущие на одной и той же частоте, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 900: узкополосный навигационный сигнал стандартной точности и широкополосный сигнал высокой точности.
Узкополосный сигнал подвергается фазовой манипуляции на 180°. Модулирующий сигнал получают сложением по модулю 2 трех двоичных сигналов:
дальномерного кода стандартной точности, передаваемого со скоростью 511 кбит/с;
последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с;
меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.
Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с; 15 строк объединяются в кадр, а пять кадров - в суперкадр (2,5 мин).
Каждая строка содержит в первой части (на интервале времени 1,7 с) 85 символов оперативных навигационных данных, которые включают информацию об эфемеридах передающего спутника, данные альманаха созвездия и другие системные параметры, требующиеся приемнику для принятия навигационного решения и планирования сеансов связи со спутниками.
Во второй части передается метка времени, представляющая собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 двоичных символов длительностью 10 мс.
В составе каждого кадра передается полный объем оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах передается во всем суперкадре и содержит данные о состоянии всех спутников системы, параметры орбит созвездия, поправку к временной шкале системы ГЛОНАСС.
Широкополосный навигационный радиосигнал 1602 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной последовательностью (ПСП2) с тактовой частотой F2 = 5,11 МГц. Путем инвертирования ПСП2 передаются двоичные символы навигационных данных длительность 20 мс.
Навигационный сигнал 1..2 (1246 МГц), излучаемый спутниками
первой модификации это однокомпонентный широкополосный шумоподобны сигнал, образуемый путем манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной ПСП2 (F2 = 5,11 МГц) без инвертирования, т.е. без передачи навигационных данных
Навигационный сигнал 1.2, излучаемый спутниками второй модификации, содержит два одинаковых по мощности шумоподобны сигнала 1250 МГц в квадратуре:
узкополосный навигационный сигнал 1250 МГц с ПСПI
(F1 = 0,511 МГц, Т1 = 1 мс);
широкополосный навигационный сигнал 1250 МГц с ПСП2 (F2 = 5,11 МГц) без передачи навигационных данных.
В настоящее время ведутся работы с целью изменения рабочих частот ГЛОНАСС во избежание помех от терминалов мобильных спутниковых систем, работающих в полосе 1610.1625 МГц, и интерференции с полосой 1612 МГц, в которой работает астрономическое радиооборудование.
Однако остается нерешенным ряд проблем, касающихся терминалов мобильной спутниковой связи, которые могут стать источником внеполосного побочного Излучения. С целью обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) спутники, запущенные до 1994 г., работают на частотных каналах k = 1 . . .12, 22, 23 и 24, т.е. в нормальных условиях не используют полосу частот 1610,6...1613,8 МГц (каналы ГЛОНАСС k = 16, 17, 18, 19, 20), выделенную для радиоастрономических исследований.
Частотные каналы k = 13, 14 и 21 реализуются в исключительных случаях. Спутники, запущенные до 1998 г., используют частотные каналы с 0 по 12. В дальнейшем спутники, уже находящиеся на орбите, будут использовать литеры частот k = 0.. .12, 22...24, а литеры частот 13, 14 и 21 будут иметь ограниченное применение: после запуска спутников на этапе ввода в эксплуатацию, а также при проведении профилактических работ. Литер k=0 потребителями системы не используется и служит для проверки находящихся на орбите резервных спутников.
С началом запуска модернизированных спутников ГЛОНАСС-М начался заключительный этап решения вопроса ЭМС ГЛОНАСС. Новый спутник имеет увеличенный ресурс службы и излучает только на несущих частотах с литерами k = 0...12. Наконец, на третьем этапе (ориентировочно с 2005 г.) спутники ГЛОНАСС-М будут использовать для излучения навигационных сигналов несущие частоты с k = -7...4, а несущие частоты с номиналом 5 и б будут реализоваться только как технологические при работе спутников с наземным комплексом управления, а также ограниченный период времени при выводе спутника на орбиту.
Таким образом, среди рассмотренных систем обнаружения и оповещения о местах ДТП точное определение координат места ДТП могут дать только методы позиционирования на основе использования спутниковых навигационных систем и систем сотовой радиосвязи.
Эти технологии могут рассматриваться как наиболее перспективные, учитывая, что:
сотовая связь является практически единственным доступным видом связи для автовладельцев;
современные сотовые телефоны выпускаются со встроенными в них GPS-приемниками;
отечественные операторы сотовой связи активно осуществляют модернизацию своих сетей для использования систем спутниковой навигации.