14.08.2011, Вводная лекция по АП СРНС

Версия 15:56, 14 ноября 2012

План вводного занятия по АП СРНС

Презентация

В формате pdf -тут.

В формате ppt - тут.

История возникновения спутниковых навигационных систем

Первые экспериментальные подтверждения

4 октября 1957 года Советским Союзом был запущен первый искусственный спутник Земли - ПС-1. Аппарат был выведен на низкую орбиту ракетой Р7.

Оптические наблюдения за расположением аппарата относительно звезд позволили определять параметры его орбиты. Она оказалась низкой с высотой от 200 до 950 км и наклонением около 60 градусов. Созданные системы регистрации позволяли привязать оценки положения спутника к шкале времени.

Спутник попеременно передавал радиосигнал на двух несущих частотах - 20,005 и 40,002 МГц. Сигналы являлись радиоимпульсами длительностью около 0.3-0.4 с, которая изменялась в зависимости от температуры и давления.

Сразу после запуска спутника в 1957 году учёные из России (группа под руководством В.Котельникова) и Америки (учёные из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с Ричардом Кершнером) практически одновременно заметили, что частота радиосигналов, передаваемых советским спутником, увеличивалась по мере его приближения и уменьшалась по мере удаления и если измерить частоты его сигнала, можно рассчитать координаты точки, в которой производятся измерения. Данный факт объяснялся эффектом Доплера и это предположение стало основополагающей концепцией спутниковой навигации.

Таким образом ПС-1 стал прообразом спутниковых радиосистем позиционирования.

Системы первого поколения

На идею создания спутниковой навигационной системы оперативно отреагировал ВМФ США. В очередной раз моряки стали двигателем прогресса в вопросах позиционирования, что понятно - точность навигации кораблей в море определяет и точность применения их оружия. В особенности это касается подводных лодок с баллистическими ракетами. Уже в 1958 году началась разработка первой спутниковой навигационной системы Транзит, главным пользователем которой являлись ПЛАРБ Полярис. Идейным и научным руководителем стал тот самый Ричард Кершнер.

История. Общие слова. Роль в военном деле, экономике и науке.

Системы второго поколения

Об используемых терминах

Формальное определение: Спутниковая радиосистема позиционирования - система, предоставляющая потребителю сервис координатно-временного обеспечения: оценки его координат, а так же скорости, времени и угловой ориентации посредством радиосигналов спутниковой группировки.

К сожалению, исторически у нас есть огромное множество технических терминов, обозначающих практически одно и то же - СРНС, СРСП, ГНСС и т.д. Отличаются они подчеркиванием той или иной особенности системы:
- глобальная, т.е. возможность получать сервис от системы в любой точке земного шара;
- спутниковая, т.е. в качестве маяков в системе используются искусственные спутники Земли;
- навигационная или позиционирования - подчеркивает назначение системы для позиционирования и навигации;
- радио, т.е. использующая радиосигналы.

Чаще всего в России используется термин Спутниковая Радионавигационная Система, в последнее время набирает обороты использование термина Глобальная Навигационная Спутниковая Система, что по форме совпадает с иностранным термином GNSS - Global Navigation Satellite System.

Вы могли заметить чередование использование терминов навигационная система и система позиционирования. Навигация и позиционирование связаны, но это ни одно и то же. Позиционирование предполагает определения состояния объекта в некоторой системе координат - то есть координат, скорости, положения и т.д. Навигация же - процесс прокладки маршрута на основе результатов позиционирования. Обратите внимание, что известная вам система NAVSTAR GPS, как следует из названия, - глобальная система позиционирования. В то время как отечественная система - ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система. Хотя как мы увидим далее, по назначению они не различаются.

Назначение системы:

• Вооруженные силы
• Синхронизация систем связи и энергетики
• Геодезия: с помощью приемников ГЛОНАСС и ГЛОНАСС\GPS определяют точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: ГЛОНАСС используется в гражданской и военной картографии
• Тектоника: с помощью спутников ведутся наблюдения движений и колебаний тектонических плит
• Навигация: с применением глобальных систем позиционирования осуществляется как морская так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг: проект ЭРА-ГЛОНАСС — мониторинг положения, скорости автомобилей, контроль за их движением
• Мониторинг сложных инженерных сооружений
• Мониторинг животных, защита окружающей среды
• Обеспечения поиска и спасания людей
• Персональные трекеры, «тревожная кнопка»

Характеристики сервиса(эту ересь пробежать быстро):

1. Доступность. Мера - вероятность получить сервис в заданный момент.

Пример: Вероятность получить КВО при всплытии ПЛ. Различия для разных систем.

2. Целостность. Мера - вероятность отказа в сервисе за заданный интервал времени.

Пример: Вероятность отказа получения КВО в течении 7 секундного интервала времени.

3. Непрерывность. Мера - вероятность отказа в сервисе за определенный этап

Пример: Вероятность отказа в получении КВО во время посадки самолета.

4. Глобальность.

5. Точность. Мера - погрешности формируемых оценок.

У разных потребителей разные требования. Наиболее жесткие требования - авиация и высокоточное оружие.

Сервис обеспечивают три сегмента СРНС: наземный сегмент, космический сегмент и сегмент АП.

Подсистема космический аппаратов (космический сегмент)

Подсистема космических аппаратов состоит из определенного числа навигационных спутников. В различных системах число спутников варьируется, но изначально необходимое и достаточное количество для GPS и ГЛОНАСС (т.к. орбиты схожи) - 24 НС.

Задача: Расчет площади на поверхности Земли, которую покрывает каждый спутник в любой момент времени. Отсюда - требование к числу спутников.

Основные функции НС - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для КВО потребителей, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС.

Состав и структура спутника сложны и многогранны. В нашем курсе важно наличие следующих компонент:

• радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, БАМИ (упомянуть о Жене), приемники данных и команд от ПКУ, антенны, блоки ориентации)
• бортовой эталон времени и частоты
• солнечные батареи

Кратко о космическом сегменте: наглядно траектории относительно Земли, траектории в СК, связанной с Землей. О излучаемых сигналах, необходимости точно знать параметры орбиты...

Для закрепления, видеоряд:

Эволюция спутников системы GPS

Эволюция спутников системы ГЛОНАСС

Ураган

По данным BBC, 423 из общего количества действующих 957 спутников на орбите принадлежат США. За всю историю человечества было запущено порядка 6000 спутников, из которых на нашу страну приходится около 1500-2000. Спутников же Ураган (Глонасс первой модификации) отправили в космас - 81.

Ураган-М

Ураган-К

Подсистема контроля и управления

Кратко о наземном сегменте: закладка информации на спутники, измерение параметров орбит, формирование дифференциальных поправок и т.д.

Перспективы развития ПКА и ПКУ ГЛОНАСС

С 2011 начинается эксплуатация «Глонасс-К» с новыми CDMA сигналами в формате GPS/Galileo/Compass, которые значительно облегчат разработку мультисистемных навигационных приборов.

Так же в 2011 году планируется завершение модернизации наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации спутников и наземных комплексов станет увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составит порядка 2,8 м для гражданских потребителей.

В 2013—2014 намечен запуск усовершенствованного спутника «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появятся два шифрованных сигнала в диапазонах частот L1, L2 и L3 и открытый сигнал в диапазоне L1.

В 2015—2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ». Предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 8 сигналов в формате CDMA, которые заменят сигналы FDMA. После полного перехода на CDMA сигналы, предполагается постепенное увеличение количества КА в группировке с 24 до 30 и полное отключение FDMA сигналов.

И третий компонент - НАП, о которой подробно ниже...

НАП

Объект курса - навигационная аппаратура потребителей.

НАП входит в состав СРНС. Назначение - донесение до потребителей функций СРНС. Произведение координатно-временного обеспечения, а также ориентации пользователя. НАП как функция от сигналов и внутреннего состояния, возвращающая время, координаты, скорость и ориентацию.

Модель сигналов спутника. Модель прохождения сигнала от спутника до НАП

Минилаба по МШУ

Собрали установку: генератор, анализатор, блок питания, МШУ, u-blox, ноутбук.

Убедились, что МШУ работает (проверили напряжение питания, подключили u-blox). Определили ток потребления.

Убедились, что сигнал не виден под шумами. Задрали сигнал - пронаблюдали спектр, померили полосу. Померили полосу МШУ. Коэффициент усиления. Уровень спектральной плотности шума в полосе пропускания (грубо, с погрешностью в десяток дБ).

Идеи

В следующий раз в этой лекции стоит подробно остановиться на общей функциональной (которая была для китайцев) схеме НАП. А затем каждую лекцию начинать с этой схемы, на которой закрашивать уже изученную часть.

Литература

• [1]: Глава 1, Глава 5, Глава 9, Глава 11, Глава 13 (§13.1, §13.2, §13.3, §13.4, §13.5).
• [2]: Глава 1, Глава 2