НОВОСТИ

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТРкоординатно-временного и навигационного обеспечения. Навигатор космическая платформа


Многофункциональная космическая платформа Навигатор [Текст]

Поиск по определенным полям
Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

author:иванов

Можно искать по нескольким полям одновременно:

author:иванов title:исследование

Логически операторы
По умолчанию используется оператор AND. Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

author:иванов title:разработка

оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

author:иванов OR title:разработка

оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

author:иванов NOT title:разработка

Тип поиска
При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы. По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии. Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$исследование $развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

"исследование и разработка"

Поиск по синонимам
Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "#" перед словом или перед выражением в скобках. В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов. В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден. Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

#исследование

Группировка
Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса. Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

author:(иванов OR петров) title:(исследование OR разработка)

Приблизительный поиск слова
Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~" в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д. Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.
Критерий близости
Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~" в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

"исследование разработка"~2

Релевантность выражений
Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^" в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным. Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение. Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.
Поиск в интервале
Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO. Будет произведена лексикографическая сортировка.

author:[Иванов TO Петров]

Будут возвращены результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, Иванов и Петров будут включены в результат.

author:{Иванов TO Петров}

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат. Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

search.rsl.ru

лекция 5_конспект

Спутниковая радионавигация

Навигация – это наука о способах выбора пути

Задачи навигации: нахождение безопасного и выгодного маршрута, определение местоположения, направления и значения скорости, а также других параметров движения.

Методы навигации

Оптическая навигация по небесным светилам

Радионавигация по наземным

(традиционная)

станциям (традиционная)

Спутниковая радионавигация (совремменная)

К задачам навигации издревле относили определение текущего местоположения наблюдателя с целью прокладки требуемого курса. Традиционная навигация (по небесным светилам – Солнцу и звёздам – включала в себя исключительно измерения углового положения светил в определённое время, что давало наблюдателям информацию как о их текущем местоположении, так и о ориентации сторон света относительно наблюдателя. Недостатком этого типа навигации являлась зависимость от погоды: если небо закрыто облаками, звёзд видно не будет.

Радионавигация по наземным станциям использует принцип зависимости затухания радиосигнала от пройденного сигналом рассстояния. Этот тип радионавигации широко использовался при прокладке морских маршррутов, когда с помощью измерения мощности сигнала от каждой станции определялось расстояние до них, а зная расстояние между станциями и направление на них, можно было построить треугольник, однозначно определявший местоположение корабля в море. Недостатком этого метода являлось большое требуемое количество наземных станций, а также ухудшение точности определения координат при большом удалении от берега: чем дальше от наземной станции, тем слабее сигнал и тем сильнее на его мощноость влияют дополнительные факторы.

Спутниковая радионавигация по своей сути идентична радионавигации по наземным станциям, только в качестве источников навигационного сигнала выступают космические аппараты, расположенные на круговых орбитаах Земли. Особенностью этого типа навигации является необходимость синхронизации бортоового времени каждого космического аппарата с каждым, что представляет достаточно сложную техническую задачу.

studfiles.net

Принципы спутниковой навигации

Космический сегмент

Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Пользовательский сегмент

В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.

На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии – это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли, о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.

Геоцентрические системы координат - системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.

Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:

  • радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
  • лазерная локация космических аппаратов (SLR),
  • доплеровские измерительные системы (DORIS),
  • навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.

Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.

В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.

Навигационная системаСистема координат
Система координат ГЛОНАССПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года)
Система координат GPSWGS-84 (World Geodetic System)
Система координат ГАЛИЛЕОGTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame)
Система координат БЕЙДОУCGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000)
Система координат QZSSJGS (Japanese geodetic system)
Система координат NavICWGS-84 (World Geodetic System)

В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.

Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.

Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.

Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.

Атомное время (TAI) — время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.

Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).

Навигационных радиосигналы

При выборе типов и параметров сигналов, используемых в спутниковых радионавигационных системах, учитывается целый комплекс требований и условий. Сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки) сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодирования навигационного сообщения. Также сигналы должны иметь низкий уровень взаимной корреляции для того, чтобы сигналы разных навигационных космических аппаратов надежно различались навигационной аппаратурой потребителей. Кроме того, сигналы ГНСС должны максимально эффективно использовать отведенную полосу частот при малом уровне внеполосного излучения, обладать высокой помехоустойчивостью.

Почти все существующие навигационные спутниковые системы, за исключением индийской системы NAVIC, используют для передачи сигналов диапазон L. Система NAVIC будет излучать сигналы дополнительно и в S диапазоне.

Диапазоны, занимаемые различными навигационными спутниковыми системами
Виды модуляции

По мере развития спутниковых навигационных систем изменялись используемые виды модуляции радиосигналов.В большинстве навигационных систем изначально использовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной) фазовой модуляцией – ФМ-2 (BPSK). В настоящее время в спутниковой навигации начался переход к новому классу модулирующих функций, получивших название BOC (Binary Offset Carrier)-сигналов.

Принципиальное отличие BOC-сигналов от сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП BOC-сигнала представляет собой не прямоугольный видеоимпульс, а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое постоянное число периодов k. Поэтому сигналы с BOC-модуляцией часто называют меандровыми шумоподобными сигналами.

Использование сигналов с BOC-модуляцией повышает потенциальную точность измерения и разрешающую способность по задержке. Одновременно с этим, уменьшается уровень взаимных помех при совместном функционировании навигационных систем, использующих традиционные и новые сигналы.

Каждый спутник принимает с наземных станций управления навигационную информацию, которая передается обратно пользователям в составе навигационного сообщения. Навигационное сообщение содержит разные типы информации, необходимые для того, чтобы определить местоположение пользователя и синхронизовать его шкалу времени с национальным эталоном.

Типы информации навигационного сообщения
  • Эфемеридная информация, необходимая для вычисления координат спутника с достаточной точностью
  • Погрешность расхождения бортовой шкалы времени относительно системной шкалы времени для учета смещения времени космического аппарата при навигационных измерениях
  • Расхождение между шкалой времени навигационной системы и национальной шкалой времени, для решения задачи синхронизации потребителей
  • Признаки пригодности с информацией о состоянии спутника для оперативного исключения спутников с выявленными отказами из навигационного решения
  • Альманах с информацией об орбитах и состоянии всех аппаратов в группировке для долгосрочного грубого прогноза движения спутников и планирования измерений
  • Параметры модели ионосферы, необходимые одночастотным приемникам для компенсации погрешностей навигационных измерений, связанных с задержкой распространения сигналов в ионосфере
  • Параметры вращения Земли для точного пересчета координат потребителя в разных системах координат

Признаки пригодности обновляются в течение нескольких секунд при обнаружении отказа. Параметры эфемерид и времени, как правило, обновляются не чаще, чем раз в полчаса. При этом период обновления для разных систем сильно отличается и может достигать четырех часов, в то время как альманах обновляется не чаще, чем раз в день.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию и передается в виде потока цифровой информации (ЦИ). Изначально во всех навигационных спутниковых системах использовалась структура вида «суперкадр/кадр/строка/слово». При этой структуре поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров, суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк. В соответствии со структурой «суперкадр/кадр/строка/слово» формировались сигналы системы БЕЙДОУ, ГАЛИЛЕО (кроме E6), GPS (LNAV данные, L1), сигналы ГЛОНАСС с частотным разделением. В зависимости от системы, размеры суперкадров, кадров и строк могут отличаться, но принцип формирования остается похожим.

Сейчас в большинстве сигналов используется гибкая строковая структура. В этой структуре навигационное сообщение формируется в виде переменного потока строк различных типов. Каждый тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определённый тип информации (указаны выше). НАП выделяет из потока очередную строку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию, содержащуюся в этой строке.

Гибкая строковая структура навигационного сообщения позволяет значительно более эффективно использовать пропускную способность канала передачи данных. Но главным достоинством навигационного сообщения с гибкой строковой структурой является возможность её эволюционной модернизации при соблюдении принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчиков НАП специально указывается, что если НАП в навигационном сообщении встречает строки неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет добавлять в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим типам строк строки с новыми типами. НАП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и, следовательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не нарушается. Сообщения сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением имеют строковую структуру.

На точность определения потребителем своих координат, скорости движения и времени влияет множество факторов, которые можно разделить на категории:

  1. Системные погрешности, вносимые аппаратурой космического комплекса

    Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры спутника и наземного комплекса управления ГНСС обусловлены в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения.

  2. Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала от космического аппарата до потребителя

    Погрешности обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов в атмосфере Земли от скорости их распространения в вакууме, а также зависимостью скорости от физических свойств различных слоёв атмосферы.

  3. Погрешности, возникающие в аппаратуре потребителя

    Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП и флуктуационные погрешности, обусловленные шумами и динамикой потребителя.

Кроме того, на точность навигационно-временного определения существенно влияет взаимное расположение навигационных спутников и потребителя. Количественной характеристикой погрешности определения местоположения и поправки показаний часов, связанной с особенностями пространственного положения спутника и потребителя, служит так называемый геометрический фактор ΓΣ или коэффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обозначение GDOP - Geometrical delusion of precision. Геометрический фактор ΓΣ показывает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений и зависит от следующих параметров:

  • Гп - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве.Соответствует PDOP - Position delusion of precision.
  • Гг - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали.Соответствует HDOP - Horizontal delusion of precision.
  • Гв - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали.Соответствует VDOP - Vertical delusion of precision.
  • Гт - геометрический фактор точности определения поправки показаний часов потребителя ГНСС.Соответствует TDOP - Time delusion of precision.

Существующие в настоящее время глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС позволяют удовлетворить потребности в навигационном обслуживании обширный круг потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей и другие.

Классическим методом повышения точности навигационных определений является использование дифференциального (относительного) режима определений.

Дифференциальный режим предполагает использование одного или более базовых приёмников, размещённых в точках с известными координатами, которые одновременно с приёмником потребителя (подвижным, или мобильным) осуществляют приём сигналов одних и тех же спутников.

Повышение точности навигационных определений достигается за счёт того, что ошибки измерения навигационных параметров потребительского и базовых приёмников являются коррелированными. При формировании разностей измеряемых параметров большая часть таких погрешностей компенсируется.

В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки – контрольно-корректирующей станции (ККС) или системы опорных станций, относительно которых могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей до навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.

Для обеспечения дифференциального режима для большого региона – например, для России, стран Европы, США - передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Системы, реализующие такой подход, получили название широкозонные дифференциальные системы.

Подробнее о системах функциональных дополнений ГНСС, которые предоставляют потребителям дополнительную корректирующую информацию, смотрите в разделе "Функциональные дополнения".

Наверх

www.glonass-iac.ru

Новая российская модульная платформа для малоразмерных космических аппаратов успешно испытана на орбите Земли

Холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «РОСКОСМОС») успешно проводит летные испытания модульной унифицированной наноспутниковой платформы ТНС-0 №2, запущенной в космос в августе 2017 года. Сама платформа и все установленные на борту приборы показали высокую эффективность и будут использованы при создании линейки перспективных отечественных малоразмерных космических аппаратов.

На этом графике можно наблюдать рост температуры внутри аппарата во время длительного полета без ухода в тень Солнца. Все приборы ТНС успешно выдержали это испытание, сохранив работоспособность.

За четыре месяца работы на орбите все экспериментальные приборы на борту космического аппарата ТНС-0 №2 и наземная однопунктовая система управления (прообраз «облачного» центра управления полетом) показали высокую эффективность.

Главный конструктор ТНС-0 №2 Олег ПАНЦЫРНЫЙ: «Это успешный, полнофункциональный проект создания космической системы, в котором РКС является головным исполнителем. Все требования технического задания, предъявляемые к нашей спутниковой платформе, подтверждены. Де-факто мы перешли от стадии летных испытаний к стадии штатной эксплуатации, в процессе которой проводится ряд экспериментов, необходимых для создания космических систем на базе наноспутников».</p

На этом графике отображены пять витков вокруг Земли, в ходе которых антенны аппарата были развернуты в сторону Солнца.

В основе конструкции ТНС-0 №2 лежит разработанная в РКС интегрированная бортовая информационная система (ИБИС) на базе специализированного бортового вычислительного модуля (БВМ).

ИБИС ТНС-0 №2 обеспечивает гибкое планирование работ, поддержание температурного и энергетического баланса. При необходимости – автоматизированное восстановление функционирования при выходе из нештатного состояния. Архитектура ИБИС позволяет проводить коррекцию программного обеспечения БВМ непосредственно на орбите в процессе штатной эксплуатации космического аппарата, что доступно далеко не всем системам даже больших космических аппаратов.

«Засвет» датчика ультрафиолета, ТНС повернут УКВ-антенной на Солнце.

Научный руководитель программы ТНС-0, профессор Арнольд Селиванов: «В ходе эксплуатации ТНС-0 №2 был испытан ряд новых датчиков, необходимых для создания малоразмерных космических аппаратов. Это, прежде всего, датчики ориентации аппарата на солнце, включая «экзотический» датчик, чувствительный в ультрафиолетовом диапазоне, выполненный на кристалле алмаза. Установлен также малогабаритный датчик, чувствительный к направлению и величине магнитного поля Земли – магнетометр. Особо необходимо отметить разработанный в РКС бортовой модуль системы навигации, который позволяет определять место положения аппарата по данным спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS».

На первоначальном этапе летных испытаний в качестве исходных данных о положении ТНС-0 №2 на орбите, необходимых для планирования его работы, использовалась информация, предоставляемая зарубежной системой NORAD. Параллельно велись испытания новой бортовой системы спутниковой навигации. Ее работоспособность была подтверждена и она оказалась существенно точнее, поэтому наиболее ответственные операции, например, наведение антенной системы наземного УКВ комплекса проводятся именно по данным автономной системы навигации.

Показания магнитометра позволяют отслеживать вращение аппарата относительно Земли.

Помимо испытания приборов, эксплуатация ТНС-0 №2 позволила провести ряд научных экспериментов. Так, телеметрическая информация, получаемая от системы оптических датчиков и магнитометра, позволила создать и апробировать специалистам Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ им. М.В. Келдыша) модель движения наноспутника на орбите. Результаты исследования модели были доложены на международной конференции по малоразмерным космическим аппаратам в Риме в совместном докладе ИПМ им. М.В. Келдыша и РКС и стали основой для нескольких научных публикаций.

Важной частью работы с ТНС-0 №2 стала отработка технологии «однопунктового» управления космическим аппаратом. Все ресурсы наземного комплекса управления ТНС-0 №2 доступны пользователю в удаленном режиме через сеть интернет, к которой спутник подключается при помощи космической системы связи GlobalStar.

Датчики солнца, установленные в разных частях аппарата, позволяют с высокой точностью определять его положение в пространстве. Каждый пик на графике — это момент когда датчик направлен в сторону солнца.

Главный конструктор ТНС-0 №2 Олег ПАНЦЫРНЫЙ: «Сейчас мы продолжаем работать над созданием «виртуального» центра управления полетами (ЦУП), который может быть выделен конечному пользователю космической системы. Если, например, использовать аппарат в образовательных целях, как мы делали это совместно с РУДН, то вуз будет иметь доступ к такому ЦУП. Заходя на соответствующий сайт, группа студентов получает выделенный ресурс времени использования спутника, выделенный набор команд управления и результаты их исполнения в виде полученной телеметрической информации».

В ходе работы с ТНС-0 №2 специалистами РКС был накоплен большой объем экспериментальных данных о взаимодействии космического аппарата и спутниковой системы GlobalStar, обеспечивающий прогнозирование установления канала обмена данными. Полученные результаты позволяют уверенно использовать такой канал для обеспечения обмена информацией между наноспутником и наземным комплексом управления. В перспективе это поможет при создании резервных систем управления космическими аппаратами при помощи систем спутниковой связи.

В результате проведения летных испытаний конструктивные особенности ТНС-0 №2 приняты АО «РКК «Энергия» в качестве типовых для объектов, запускаемых ручным способом с борта МКС. Сейчас в РКС и «РКК «Энергия» рассматривают возможность запуска второго образца ТНС-0 №2, который в данный момент используется для наземной отработки полетных заданий. РКС приступил к согласованию дополнения технического задания для запуска этого аппарата и рассматривает предложения по установке полезных нагрузок сторонних пользователей.

russianspacesystems.ru

Спутниковая система навигации Википедия

Спутник «Navstar-GPS».

Спу́тниковая систе́ма навига́ции (англ. Global Navigation Satellite Systems (GNSS)) — система, предназначенная для определения местоположения (географических координат) наземных, водных и воздушных объектов. Спутниковые системы навигации также позволяют получить скорости и направления движения приёмника сигнала. Кроме того, могут использоваться для получения точного времени. Такие системы состоят из космического оборудования и наземного сегмента (систем управления). В настоящее время только две спутниковые системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара — GPS и ГЛОНАСС.

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния 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 приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём 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.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на том, что скорость распространения радиоволн предполагается известной (на самом деле этот вопрос крайне сложный, на скорость влияет множество слабопредсказуемых факторов, таких как характеристики ионосферного слоя и пр.). Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, 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. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

  • орбитальная группировка спутников, излучающих специальные радиосигналы;
  • наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
  • аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемая для определения координат;
  • опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат;
  • опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Обзор спутниковых систем навигации

Исторические системы

  • Transit — первая в мире спутниковая навигационная система, США, 1960-е — 1996
  • Циклон — первая спутниковая система навигации в СССР[1]
  • Цикада — низкоорбитальная «космическая навигационная система»* (КНС) — гражданский вариант морской спутниковой навигационной системы «Циклон», аналог Transit — 1976 — 1997 гг.
  • Парус — низкоорбитальная КНС (именно с таким названием была принята на вооружение в 1976 г.) — серия российских (советских) навигационных спутников военного назначения.

Действующие спутниковые системы

  • GPS — принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.
  • ГЛОНАСС — принадлежит министерству обороны РФ. Разработка системы официально началась в 1976 г., полное развёртывание системы завершилось в 1995 г. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году пришла в упадок. Была восстановлена к концу 2011 г. В настоящее время на орбите находится 27 спутников, из которых 22 используется по назначению[2]. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.
  • DORIS — французская навигационная система. Принцип работы системы связан с применением эффекта Допплера. В отличие от других спутниковых навигационных систем основана на системе стационарных наземных передатчиков, приёмники расположены на спутниках. После определения точного положения спутника система может установить точные координаты и высоту маяка на поверхности Земли. Первоначально предназначалась для наблюдения за океанами и дрейфом материков.

Строящиеся глобальные спутниковые системы

  • BeiDou (см. также Compass) — развёртываемая Китаем местная спутниковая система навигации, основанная на геостационарных спутниках. По состоянию на 2015 год система имела 14 работающих спутников: 5 на геостационарных орбитах, 5 — на геосинхронных и 4 — на средних околоземных. Реализация программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007 г. В мае 2016 года был запущен 21-й космический аппарат. Предполагается, что к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная.
  • Galileo — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. По состоянию на ноябрь 2016 года на орбите находится 16 спутников, 9 действующих и 7 тестируемых. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году[3].

Действующие региональные спутниковые системы

  • IRNSS — индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS — 7.
  • QZSS — японская квази-зенитная спутниковая система (Quasi-Zenith Satellite System, QZSS) была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый QZSS-спутник был запущен в 2010 г. Предполагается создание группировки из трёх спутников, находящихся на геосинхронных орбитах, а также собственной системы дифференциальной коррекции.

Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

  • Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
  • Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
  • Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
  • Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-ГЛОНАСС.
  • Тектоника, тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
  • Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
  • Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

Основные характеристики систем навигационных спутников

параметр, способ СРНС ГЛОНАСС GPS NAVSTAR TEN GALILEO BDS COMPASS
Начало разработки 1976 1973 2001 1983
Первый запуск 12 Октября 1982 22 Февраля 1978 28 Декабря 2005 30 октября 2000
Число НС (резерв) 24 (3) 24 (3) 27 (3) 30 (5)
Число орбитальных плоскостей 3 6 3 3
Число НС в орбитальной плоскости (резерв) 8 (1) 4 9 (1) 9
Тип орбит Круговая (e=0±0.01) Круговая Круговая Круговая
Высота орбиты (расчетная), км 19100 20183 23224 21528
Наклонение орбиты, градусы 64.8±0.3 ~55 (63) 56 ~55
Номинальный период обращения по среднему солнечному времени 11 ч 15 мин 44 ± 5 с ~11 ч 58 мин 14 ч 4 мин. и 42 с. 12 ч 53 мин 24 
Характеристики сигнала FDMA (CDMA планируется) CDMA CDMA CDMA
Способ разделения сигналов НС Кодово-частотный (кодовый на испытаниях) Кодовый Кодово-частотный нет данных
число частот 24 + 12 планируется 2 + 1 планируется 5 2 + 1 планируется
Несущие частоты радиосигналов, МГц L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5

L3= 1207,2420...1201,7430

L1=1575.42

L2=1227.60

L5=1176.45

E1=1575.42 (L1)

E6=1278.750

E5=L5+L3

E5=1191.795 E5A=1176.46 (L5) E5B=1207.14 E6=12787.75

B1=1575,42 (L1)

B2=1191,79 (E5)

B3=1268,52

Период повторения дальномерного кода (или его сегмента) 1 мс 1 мс (С/А-код) нет данных нет данных
Тип дальномерного кода М-последовательность (СТ-код 511 зн.) Код Голда (С/А-код 1023 зн.) М-последовательность нет данных
Тактовая частота дальномерного кода, МГц 0.511 1.023 (С/А-код) 10.23 (P,Y-код) Е1=1.023 E5=10.23 E6=5.115 нет данных
Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код) 50 зн/с (50Гц) 50 зн/с (50Гц) 25, 50, 125, 500, 100 Гц 50/100 25/50

500

Длительность суперкадра, мин 2.5 12.5 5 нет данных
Число кадров в суперкадре 5 25 нет данных нет данных
Число строк в кадре 15 5 нет данных нет данных
Система отсчета времени UTC (SU) UTC (USNO) UTC (GST) UTC (BDT)
Система отсчета координат ПЗ-90/ПЗ90.2 WGS-84 ETRF-00 CGCS -2000
Тип эфемирид Геоцентрические координаты и их производные Модифицированные кеплеровы элементы Модифицированные кеплеровы элементы нет данных
Сектор излучения от направления на центр земли ±19 в 0 L1=±21 в 0 L2=±23.5 в 0 нет данных нет данных
Сектор Земли ±14.1 в 0 ±13.5 в 0 нет данных нет данных
Система дифференциальной коррекции СДКМ WAAS EGNOS SNAS
Высокоорбитальные Геосинхронный Сегмент ведутся НИР нет ведутся НИР 3 НС
Геостационарный сегмен ведутся НИР нет ведутся НИР 5 НС

Дифференциальное измерение

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

Кроме того, есть несколько систем, которые посылают потребителю уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до 10 сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

На 2009 год имелись следующие бесплатные системы предоставления поправок: американская система WAAS (GPS), европейская система EGNOS (Galileo), японская система MSAS (QZSS)[4]. Они основаны на нескольких передающих поправки геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ завершено к 2016.

Примечания

Литература

Ссылки

wikiredia.ru

GPS по пульсарам: Космическая навигация

Предложена система навигации для космических аппаратов, позволяющая определить местоположение с точностью до 5 км по сигналам рентгеновских пульсаров.

Распределение известных пульсаров по параметрам вращения

Навигация в космосе — непростая задача. Обычно для определения линейного (радиального) расстояния до космического аппарата используются радиосигналы, по времени прибытия которых наземные станции слежения рассчитывают искомую величину. С угловыми координатами сложнее. Угловое разрешение радиоантенн весьма ограничено, поэтому погрешность определения координат возрастает примерно на 4 км при отдалении космического аппарата от Земли на очередную астрономическую единицу. Это значит, что координаты аппарата, находящегося в районе орбиты Плутона, мы будем знать с точностью плюс-минус 200 км, а для Voyager 1 разбег составляет уже 500 км.

Исследователи из Института Макса Планка (Германия) разработали систему автономной космической навигации, использующую сигналы пульсаров. Их метод позволит определять местоположение аппарата, находящегося в пределах Солнечной системы, с точностью до 5 км.

Идея использования пульсаров для ориентирования в космосе не нова. Но ранее её практическая реализация была затруднена, во‑первых, недостаточным количеством известных пульсаров, а во-вторых — сложными технологиями их обнаружения. Но за последние годы ситуация значительно изменилась. Астрономам сегодня известно более 2 тысяч пульсаров, а радиообсерватории следующего поколения должны открыть еще больше.

Система межпланетной навигации основана на принципе, используемом GPS. Измеряя время прибытия импульсов, приходящих от по крайней мере трех различных пульсаров, и сравнивая их с расчетными значениями, можно определить пространственные координаты приемника. Идентичность импульсов пульсаров создает множество возможных решений, но, ограничив их область относительно небольшим объемом вокруг предполагаемого местоположения аппарата, можно найти то единственное, которое соответствует действительности.

Размеры, вес, расход энергии и стоимость системы во многом определяются длиной волны принимаемого сигнала. Так, чтобы ориентироваться по пульсарам, излучающим в области волн с длиной около 21 см, потребовалась бы антенна площадью 150 квадратных метров. Но есть идея и получше — использовать сигналы рентгеновских пульсаров.

Показателем развития рентгеновских зеркал может служить их масса. Так, зеркало рентгеновской обсерватории Чандра, запущенной в 1999 году, имеет массу 18,5 тонн на каждый квадратный метр эффективной поверхности. Современные материалы обеспечивают относительную массу 25 кг/м2. Поэтому рентгеновские пульсары — перспективные ориентиры для систем межпланетной навигации, работающих с точностью ±5 км.

Возможно, в большинстве запланированных на обозримое будущее миссий такая точность ни к чему, но с развитием космонавтики методика вполне может найти применение.

По сообщению MIT Technology Review

www.popmech.ru

Автоматика в космической навигации

Весь комплекс проблем, возникающих при космическом полете — от управления кораблем до организации бесперебойной радиосвязи с Землей, от поддержания постоянного уровня температуры в кабине до осуществления разнообразнейших научных исследований,— разрешается с помощью автоматических устройств. Сама природа космических полетов, требующая решения тех или иных задач в кратчайшие доли секунды, даже не ощутимые человеком, исключает возможность ручного управления многими процессами на корабле. И чем сложнее будут проблемы, которые предстоит решать космонавтике, тем более ответственна и серьезна будет роль, отведенная в космосе автоматике. К числу таких проблем, где значение автоматических устройств будет возрастать с каждым следующим полетом, относятся и многие вопросы космической навигации.

Система инерциальной навигации представляет собой, как известно, платформу, гироскопически стабилизированную в земном пространстве. Термин «земное пространство» для нас пока что еще непривычен, но со временем это понятие станет таким же будничным и обыденным, как широта и долгота в географических координатах. Гироскопическая система позволяет ориентироваться в околоземном пространстве при условии, что автоматические корректирующие устройства заставляют гироскопы «дрейфовать», или, как говорят специалисты, прецессировать со скоростью, соответствующей скоростям вращения Земли и космического корабля, а также курсу полета и географическим координатам. Все эти величины нужно определить с весьма высокой степенью точности, поскольку ошибки в измерении, многократно увеличившись в вычислительных устройствах корректора, резко исказят траекторию движения, тем более, что ошибки вносятся и самой динамикой работы гироскопической платформы. Их вызывает трение в осях подвеса, колебания температуры, приводящие к так называемой разбалансировке гироскопа. Очень сильно сказывается влияние ускорения силы тяжести Земли и ускорение самого корабля.

Специалисты стремятся всеми способами свести все эти вредные влияния к минимуму. Гироскопические датчики помещают в поплавковые подвесы, то есть заключают в герметический кожух, который плавает в жидкости, — этим резко снижаются погрешности, вносимые трением. В отсеке, где установлен ротор гироскопа, поддерживают постоянную температуру. Сложнейшие и точнейшие методы балансировки роторов привели к тому, что лаборатории, где эта балансировка производится, по своей сверкающей чистоте и аккуратности могут соперничать с операционными лучших хирургических клиник.

Наконец, ученые и инженеры стараются уменьшить погрешности системы, совершенствуя интегрирующие элементы, которые выдают информацию, необходимую для создания требуемой скорости прецессии. Одна за другой рождаются новые, остроумнейшие схемы включения гироскопов.

Системы навигации современных космических кораблей «привязаны» к Земле, то есть позволяют определить географические координаты, скорость, курс и высоту корабля относительно нашей планеты. При полетах к далеким звездам — а эта фантастическая мечта может стать реальностью значительно скорее, чем мы это себе представляем, — существующих способов ориентации окажется недостаточно. Чтобы не заблудиться в межзвездном пространстве, придется пользоваться другой системой координат, связанной с какими-либо тремя звездами, настолько удаленными от Земли, что их можно считать неподвижными, так как их перемещения по небесной сфере нам обнаружить не удается.

Ориентироваться в космосе, с одной стороны, легче, потому что за пределами атмосферы звезды видны всегда, но, с другой стороны, и труднее, так как в межзвездном пространстве нет естественного горизонта, его должны заменить три свободных гироскопа, нацеленных на дальние звезды. Выбрать эти три звезды — дело астрономов, и далеко не такое простое, как кажется: мы уже говорили, что они должны быть достаточно далеки от Земли, но ведь чем дальше звезда от нас, тем слабее доходит ее свет, а это весьма затрудняет ориентировку приборов.

Помимо этой чисто астрономической проблемы, возникает и инженерно-техническая — построить звездное пространство на космическом корабле. Если при привязке к земному пространству во время нынешних космических полетов необходимо обеспечить требуемую скорость прецессии гироскопов, то направления осей гироскопов, создающих звездное пространство, наоборот, должны быть неизменны, неподвижны — скорость прецессии равна нулю. Вот маленький расчет, показывающий, с какой фантастической, немыслимой точностью должны работать гироскопы, чтобы обеспечить возможность попасть в другие миры.

Поэтому в настоящее время во многих странах работают над созданием гироскопов на принципиально иной основе. Предложена, в частности, идея криогенных гироскопов, использующих явления сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю.

Тем или другим способом, но задача ориентации в звездном пространстве будет решена, и штурманы звездолетов грядущего будут так же уверенно чувствовать себя в бескрайних просторах вселенной, как наши сегодняшние космонавты на околоземных орбитах.

Автор: А. М. Летов.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что проблема автоматики в космической навигации сейчас столь же важна и актуальна как, например проблема проектирования газоснабжения больше о которой можно узнать на сайте http://proekt-gaz.ru/.

www.poznavayka.org