Радионавигация. Принципы работы
Доклад на тему
«Радионавигация. Принципы работы»
Ярлыков Алексей
группа РСС-2-14
Возможности авиации, космонавтики, морского и речного судоходства во многом определяются точностью и надежностью решения задач навигации, уровнем развития навигационных средств, в частности устройств и систем радионавигации.
Радиотехнические средства навигации дают возможность выполнять вождение летательных аппаратов, морских судов, а также управлять воздушным движением в условиях отсутствия видимости Земли и небесной сферы. Радионавигационные устройства и системы обладают весьма малыми погрешностями измерения навигационных параметров и большой дальностью действия, позволяют решать разнообразные и сложные навигационные задачи.
Современные радиотехнические системы дальней навигации, построенные на основе дальномерных и разностно-дальномерных устройств, обеспечивают определение координат подвижных объектов (под которыми понимаются воздушные и космические летательные аппараты, морские суда и т.д.) на расстояниях до 1500 км и более от наземных радиомаяков.
Особое место занимают спутниковые радионавигационные системы, которые предназначены для определения местоположения летательного аппарата или морского судна в пределах зоны действия искусственных спутников Земли. При этом точность определения практически не зависит от положения объекта в этой зоне, а также от времени суток и погодных условий. Радиотехнические системы ближней навигации и посадки дают возможность определять координаты объекта на расстояниях до 400-700 км от наземного маяка, а на заключительном этапе полета измеряют отклонения летательного аппарата от заданной траектории и дальности до точки приземления.
При решении разнообразных задач с успехом используются автономные бортовые радионавигационные устройства, реализующие радиолокационные принципы. В таких устройствах навигационные параметры определяются по отраженному от земной поверхности сигналу.
В настоящее время радионавигационное оборудование, установленное на подвижных объектах, приобрело новое качество в связи с широким использованием бортовых вычислительных машин, объединяющих навигационные измерители в единые комплексные навигационные системы. Сами комплексные навигационные системы являются, как правило, составными частями пилотажно-навигационных и других комплексов. Под термином «навигация» (от лат. navigatio- мореплавание) первоначально подразумевались только способы вождения морских судов. Сейчас этот термин распространен и на способы вождения таких подвижных объектов как самолеты, вертолеты, космические корабли, морские и речные суда. Термин «навигация» не применяется к вождению объектов, траектории движения которых заранее жестко определены и положение которых в любой момент времени известно, например железнодорожных составов. В зависимости от типа подвижного объекта в навигации как науке выделялись соответствующие направления: воздушная навигация, морская навигация, космическая навигация.
Авиационные радионавигационные системы
Под воздушной навигацией понимают прикладную науку о том, как точно и надежно провести летательный аппарат (ЛА) из одного пункта в другой по заданной траектории в установленное время. Иными словами, воздушная навигация - наука о методах и средствах получения информации о положении и движении ЛА и о методах и средствах их вождения.
Кроме того, термин «навигация» используется как определение управляемого процесса вождения ЛА. В таком понимании навигация характеризуется комплексом действий экипажа, направленных на обеспечение наибольшей точности, надежности и безопасности вождения ЛА с целью вывода их по месту и по времени на заданные объекты и аэродромы посадки. В зависимости от типа ЛА этот процесс называют самолетовождением или вертолетовождением.
При решении тактических и навигационных задач полет ЛА должен выполняться по наивыгоднейшей траектории. Траекторией полета называется пространственная кривая, по которой перемещается центр масс ЛА в процессе его полета. Проекция траектории полета на земную поверхность называется линией пути (маршрутом). Заданной траектории полета соответствует линия заданного пути. Проекция траектории полета на вертикальную плоскость именуется профилем полета. Точка земной поверхности, над которой находится ЛА, называется его местоподожением.
В настоящее время при характеристике самолетовождения (вертолетовождения) различают двухмерную, трехмерную и четырехмерную навигацию. Для двухмерной навигации характерно задание и выдерживание только маршрута полета. В трехмерной навигации к этому добавляются задание и контроль профиля полета. Для четырехмерной навигации необходима жесткая «привязка» маршрута ко времени и контроль текущего времени прохождения точек маршрута.
Основными задачами воздушной навигации являются:
обеспечение точного полета ЛА по заданной траектории;
обеспечение точного вывода ЛА на цель и аэродром посадки в строго назначенное время наивыгоднейшим для данных условий способом;
Для успешного выполнения этих задач необходимо ответить на следующие вопросы:
где находится ЛА в данный момент времени?
каким способом следует перемещаться, чтобы прибыть в заданные пункты в назначенное время с учетом нахождения в воздухе других ЛА и с обеспечение требуемого уровня безопасности полета?
Для ответа на первый вопрос необходимо определить текущие координаты местоположения ЛА и его высоту полета в определенной системе координат. Второй вопрос требует знания координат цели к необходимому моменту времени в той же системе координат. Чтобы ответить на третий вопрос, необходимо знать параметры движения данного ЛА и окружающих его других ЛА (скорость, ускорение, угловые координаты ЛА и их производные) и определить необходимые значения новых параметров движения, обеспечивающих вывод ЛА в заданный пункт в назначенное время с требуемым уровнем безопасности полета.
Выполнение заданной программы полета (т.е. процесс самолетовождения или вертолетовождения) при всем многообразии боевых задач (разведка, бомбометание, стрельба по воздушным и наземным целям и т.д.), как правило, делится на отдельные этапы, последовательное успешное решение которых обеспечивает выполнение поставленной задачи. Такими этапами процесса навигации ЛА могут, например, являться:
взлет ЛА;
построение боевого порядка группы ЛА;
выход на исходный пункт маршрута;
выход на линию заданного пути;
контроль и исправление пути при уклонениях от линии заданного пути, а также маневрирование на маршрутном полете вплоть до выхода в район цели (под которым понимается точка сбрасывания бомб, пуска ракет или выброски десанта и т.п.);
выход на цель;
выход на исходный пункт маршрута при возврате на аэродром посадки, т.е. на исходный пункт обратного маршрута;
выход на линию обратного пути;
контроль и исправление пути обратного маршрута;
выход на аэродром посадки;
роспуск группы ЛА;
посадка ЛА.
навигация воздушный дальномерный авиационный
Судовые радионавигационные системы
Судовые радионавигационные системы предназначены для определения навигационных параметров судна, необходимых для обеспечения судовождения по выбранному (заданному) пути. Перечень навигационных параметров судна и степень их важности можно выявить, рассматривая экстремальную ситуацию, возникшую, например, на потерявшем ориентировку судне.
Прежде всего, важно знать координаты центра массы судна. В большинстве случаев ограничиваются двумя координатами на поверхности Земли.
Кроме места судна (выражаемого его координатами), важно знать ориентацию диаметральной плоскости судна, т.е. угол между диаметральной плоскостью (продольной вертикальной плоскости, делящей судно по ширине на две равные и симметричные части) и некоторым выбранным направлением. Если это направление определяется меридианом, то угол называется истинным курсом, если это направление определяется углом между диаметральной плоскостью судна и направлением на известную навигационную точку с известными координатами, то угол называется курсовым углом.
Навигационным параметром судна является и текущее время. С 1900 года радио используется для определения и контроля времени относительно согласованного международными организациями начального момента.
Спутниковые радионавигационные системы
Реальность сегодняшнего дня такова, что сфера телекоммуникаций играет значительную роль в нашей жизни. Различные страны активно инвестируют её развитие, понимая, что современная жизнь требует улучшения в этой сфере человеческой деятельности. В 20 столетии человечество сделало значительный шаг вперед, создав глобальные космические системы определения местонахождения и телекоммуникации. Эти системы огромны как по затратам на свою реализацию, так и по своим возможностям и масштабам. Однако они уже прочно влились в нашу жизнь. ГЛОНАСС - система сегодняшнего дня, которая успешно работает и активно используется для мониторинга и управления транспортом. Несколько десятков тысяч машин уже оборудовано совмещенными ГЛОНАСС/GPS приемниками. Опытный факт, что в условиях плотной городской застройки устойчивость работы совмещенного ГЛОНАСС/GPS-приемника намного выше, чем просто GPS или просто ГЛОНАСС.
Исторически ГЛОНАСС и GPS стартовали почти одновременно - разница в развертывании полной группировки 24 спутника была 2 года - но потом пути систем разошлись. GPS развивался планомерно и равномерно, а ГЛОНАСС вместе со всей страной пережил системный кризис начала 90-х. Начиная с 2000 года начались работы по восстановлению ГЛОНАСС, и сейчас они дают ощутимые плоды. В конце 2020 года, если реализуются планы по развитию европейской системы «Галилео» и китайской «Beidou», на орбите будет больше ста спутников, которые будут работать в различных навигационных системах. Если у нас будет три, четыре системы, то качество навигации станет еще выше.
ГЛОНАСС - российская система навигации
ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км.
Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 года спутниковая группировка была развернута до штатного состава - 24 спутника. Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 году до 6. В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года.
Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков и вывести на орбиту 18 спутников - таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС), заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС.
Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, из которых некоторые успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли 6 аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. 25 декабря 2008 года количество было доведено до 18 спутников. На совете главных конструкторов ГЛОНАСС, план развёртывания системы был скорректирован с той целью, чтобы на территории России система ГЛОНАСС заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года. Прежние планы предполагали запуск на орбиту двух троек новых спутников «Глонасс-М» в сентябре и в декабре 2008 года; однако в марте 2008 года сроки изготовления спутников и ракет были пересмотрены, чтобы ввести все спутники в эксплуатацию до конца года. Предполагалось, что запуски состоятся раньше на два месяца и система до конца года в России заработает.
Планы были реализованы в срок. 29 января 2009 года было объявлено, что первым городом страны, где общественный транспорт в массовом порядке будет оснащён системой ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС - оборудование было установлено на 250 сочинских автобусах. В ноябре 2009 года было объявлено, что Украинский научно-исследовательский институт радиотехнических измерений в Харькове и Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения в Москве создадут совместное предприятие.
Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС. К 30 марта 2010 года количество работающих спутников было доведено до 21 космического аппарата (плюс 2 резервных космических аппарата).
Точность навигации.
В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстаёт от аналогичных показателей для GPS. Согласно данным Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга, на 29 марта 2010 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляли 4,46-8,38 м при использовании в среднем 7-8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11 космических аппаратов (в зависимости от точки приёма). При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2,37-4,65 м при использовании в среднем 14-19 космических аппаратов (в зависимости от точки приёма).
(GPS) - американская система навигации
(англ. Global Positioning System) - Глобальная система позиционирования. NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range - обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники)- спутниковая система навигации, позволяющая в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Но поскольку разница между часами спутника и приёмника может внести в решение огромную ошибку, один из космических аппаратов используется как "базовый", с него получают время, остальные три используются для определения координат. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников. Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении.
Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты. Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г в США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом. Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США. Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приемника. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала с мая 2000 года отключен. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).
Пользовательский сегмент.
Сегодня GPS-приёмники всё чаще используются в гражданских целях, в основном для определения местонахождения и скорости. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты.
Точность.
Типичная точность современных GPS приемников в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра при хорошей видимости спутников. Для сравнения, точность ГЛОНАСС составляет +/-10 метров. При использовании систем дифференциальных поправок точность GPS может быть существенно увеличена.
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.
Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.
Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён.
- европейская система навигации
Галилео (Galileo) - совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства, является частью транспортного проекта Трансевропейские сети (англ. Trans-European Networks). Система предназначена для решения геодезических и навигационных задач. Ныне существующие GPS-приёмники не смогут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео, хотя достигнута договорённость о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Финансирование проекта будет осуществляться в том числе за счёт продажи лицензий производителям приёмников.
Помимо стран Европейского союза в проекте участвуют: Китай, Израиль, Южная Корея, Украина. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2014-2016 годах, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников, начиная с 2010 года. Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.
В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку системы осуществляет Европейское космическое агентство. Общие затраты оцениваются в 4,9 млрд евро.
Спутники «Галилео» будут выводиться на орбиты высотой 23 222 км (или 29 600,318 км от центра Земли), проходя один виток за 14 ч 4 мин и 42 с и обращаясь в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечит одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Временна́я погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. За счёт более высокой, чем у спутников GPS орбиты, на широте Полярного круга будет обеспечена точность до одного метра.
Каждый аппарат «Галилео» весит около 700 кг, его габариты со сложенными солнечными батареями составляют приблизительно 3×1,5×1,5 м, а с развёрнутыми - 2,7×14,5×1,5 м, энергообеспечение равно 1420 Вт на солнце и 1355 Вт в тени. Расчетный срок эксплуатации спутника превышает 12 лет.
- китайская система навигации
Китай начал разрабатывать собственные навигационные системы еще с 1960-х годов. Однако этот процесс продвигался достаточно медленно из-за недостатка финансирования и технических сложностей. В 1980-х годах развивалась система «Twin-Star» (буквально «Двойная звезда»). Запуск двух спутников в 1989 году показал, что точность этой навигационной системы сопоставима с точностью системы GPS. Китайское правительство официально утвердила программу развития национальной спутниковой системы в 1993 году. Эта система получила название BeiDou 1. Это выражение можно перевести с китайского как «Большой ковш» и указывает на группу из семи звезд в созвездии Большая медведица. Исторически они использовались для определения Полярной звезды, поэтому название является удачным сравнением для современной навигационной системы.
Заказ на изготовление спутников был выполнен Китайской академией космических технологий. По состоянию на конец 2008 года в систему входит четыре космических аппарата, находящихся на геостационарных орбитах. Первые два спутника BeiDou 1 (BeiDou-1A и BeiDou-1B) были запущены из Центра запуска спутников Сичан 31 октября и 21 декабря 2000 года. Работа системы началась в конце 2001 года. Третий резервный спутник Beidou-1C был запущен 25 мая 2003 года, обеспечивая бесперебойную работу системы. Сигналы BeiDou 1 стали доступными для гражданских пользователей в апреле 2004 года. 2 февраля 2007 года был запущен четвертый спутник Beidou-1D, который стал дополнением к уже эксплуатируемым спутникам. Система навигации BeiDou 1 имеет принципиальное отличие от GPS, поскольку в китайской системе спутники располагаются на геостационарных орбитах, то есть постоянно находятся над одной и той же точкой земной поверхности. Спутники полностью покрывают территорию Китая и некоторых соседних государств. Сегмент контроля включает в себя три наземных станции.
Система обеспечивает точность определения координат с погрешностью не более 100 метров, однако при использовании дифференциальных методов разброс может быть уменьшен до 20 метров. Еще одним существенным отличием BeiDou 1 от GPS является метод определения координат. Навигатор в китайской системе является не только приемником, но и передатчиком сигнала. Станция мониторинга через два спутника посылает сигнал пользователю. Устройство пользователя после получения сигнала посылает ответный сигнал через оба спутника. Наземная станция по задержке сигнала рассчитывает географические координаты пользователя, определяет высоту по имеющейся базе данных и передает сигналы на устройство пользовательского сегмента.
Следовательно, навигаторы для BeiDou 1 более дорогие и массивные, поскольку служат и для передачи сигналов. Однако и число пользователей, одновременно работающих с системой, ограничено и составляет 150 человек. Следующим шагом в развитии национальной навигационной системы Китая станет CompassSatelliteNavigationSystem, или BeiDou 2. Целью этой системы станет обеспечение непрерывного определения координат и скорости с высокой точностью. Долгосрочной целью является построение глобальной спутниковой системы, подобной ГЛОНАСС и GPS. BeiDou 2 будет предоставлять два типа обслуживания: открытые сигналы и сигналы, доступные только для лицензированных или военных пользователей. Точность определения координат будет находиться в пределах 10 метров, скорости - 0.2 м/с, а времени - 50 наносекунд.
Спутниковая группировка системы второго поколения будет включать в себя 4 геостационарных спутника и около 30 спутников, расположенных на средних орбитах. Первый тестовый спутник Компас-M1 был запущен 14 апреля 2007 года и выведен на орбиту высотой 21 500 километров. Предполагается, что сигналы BeiDou 2 будут мешать работе спутников европейской Галилео, однако никакой официальной информации китайские власти не предоставили. Кроме развития собственных спутниковых систем Китай заключил договор с Евросоюзом в 2003 году и обязался инвестировать около 230 миллионов евро в проект Галилео.
Российская система ГЛОНАСС, безусловно, является конкурентом и американской GPS, и европейской Galileo, и китайской Beidou. Хотя ГЛОНАСС имеет уже достаточно долгую историю, активно развиваться эта система начала только в последнее время при активной поддержке руководства нашей страны.
В течении последних трёх лет система ГЛОНАСС была выведена на уровень, который обеспечивает уверенный приём сигнала на территории России.
На сегодняшний день существенными недостатками системы ГЛОНАСС являются точность определения координат, большая стоимость навигационного оборудования по сравнению с аналогичным оборудованием GPS. Что касается GALILEO и BEIDOU, то полное развертывание первой запланировано на 2014-2016 годы, а второй на 2020 год. Поэтому говорить об их возможностях и конкурентоспособности преждевременно.
Список литературы
1.Ярлыков М.С. « Статистическая теория навигации»
.Никитенко Ю.И., Быков В.И., Устинов Ю.М. «Судовые радионавигационные системы»