Спутниковые навигационные системы (СНС)

Возможности СНС рассмотрим на примере GPS NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System using Time and Range), которая предназначена "для всепогодного пассивного непрерывного в реальном масштабе времени надежного помехоустойчивого высокоточного навигационно-временного обеспечения" в любой точке Земли и околоземного пространства.

Система реализует дальномерный метод определения трех координат - j, l, Н (высота); для этого измеряется дальность до спутника по времени прохождения сигнала от спутника до приемоиндикатора (ПИ). Для измерения трех координат необходимо принимать сигналы от четырех спутников (для исключения неизвестной разности фаз опорных генераторов ПИ и спутника). При определении координат на поверхности эллипсоида можно принимать сигналы от трех спутников, ПИ становится проще, но точность ухудшается.

В СНС выделяют три сегмента.

Наземный сегмент включает станции слежения за спутниками, управляющий центр и станция ввода параметров орбит в бортовую ЭВМ спутника. Наземный комплекс обеспечивает знание в любой момент положения спутника на орбите с точностью £ 3 м. на эллипсоиде WGS-84 при использовании UTC (всемирное координированное время).

Космический сегмент составляют 24 спутника (с высотой около 20000 км и периодом обращения ~ 12 часов) на шести орбитах с наклоном к экватору ~ 55° и разнесенных по долготе через 60° с равномерным распределением спутников на каждой орбите. Это обеспечило в любой точке Земли прием не менее четырех сигналов от спутников. На каждом спутнике установлен атомный генератор частоты (атомные часы) с нестабильностью ~ 10^-14 за сутки, что позволило реализовать пассивный дальномерный метод. Каждый спутник излучает сигналы времени и своего места на двух частотах ( ~ 1227 мГц и ~ 1575 мНz) для исключения влияния ионосферы на лучи (степень искривления). Для точного измерения дальности применен многошкальный измеритель. Каждый спутник излучает два индивидуальные сигналы – код С/А (Coarse and Aquisition) для опознания и грубого измерения и код Р (precise) – для точного измерения.

Судовые ПИ независимо от фирменного названия разделяются на две группы в зависимости от возможности приема кодов.

а) ПИ принимает сигналы от спутника на двухчастотных каналах и оба кода Р и С/А – наиболее полная реализация возможностей системы. При этом дополнительно измеряется доплеровский сдвиг частоты, по которому рассчитывается путевая скорость судна (т.е. ПИ является абсолютным лагом, с учетом течения), Точность измерения координат m_к » 10 мхК, где К = 1 ¸ 15, непрогнозируемый случайный фактор, чем больше К, тем меньше его вероятность Р; например К = 1; Р = 95%; К = 3; Р = 4,9% и т.д. Наличие этого коэффициента делает невозможным безопасное плавание в стесненных водах. Точность измерения скорости m_v » £ 0,1 узла; точность измерения времени

m_т » 10 нс. Темп обновления координат DТ > 0,1 с.

б) ПИ принимает сигналы только на одной частоте и только код С/А – упрощенный вариант; абсолютная скорость рассчитывается по формуле V = DS/DT. Точностные характеристики примерно на порядок хуже: m_к » 100 мх К;

m_v » 0,6 узл, m_т » 100 нс; DТ » 10 с ¸ 50 с. Фактор К усложняет применение системы в прибрежных водах.

Судоводители предупреждены, что использование системы возможно только на их риск; требуется не реже одного раза за вахту определить место судна другим способом.

В настоящее время выпускаются приборы на основе ПИ GPS, позволяющие измерять курс, крен, дифферент с точностью ~ 0,1°. К 2005 году планируется завершить модернизацию системы – что обеспечить улучшение всех параметров, в первую очередь точность, надежность, устойчивость к возмущениям.

Для увеличения точности и надежности GPS во многих районах Мира реализован дифференциальный вариант системы – DGPS. В точках с высокоточными координатами j_к, l_к (обычно это радиомаяки или станции Лоран-С) создаются контрольные пункты (КП): В них находятся ПИ и, как и на судне, определяются обсервованные координаты j_о, l_о. Затем рассчитываются , (или разность расстояний до каждого спутника ) и примерно раз в минуты поправки передаются в эфир: на судне ПИ их принимает и исправляет обсервованные координаты. В результате при многих нарушениях в системе К = 1, m_к » 6 ¸ 10 м; m_v » 0,1 узл; m_т » 1 mc, DТ » 1 мин. В настоящее время это самый точный и надежный способ определения места судна, пригодный для плавания в стесненных и портовых водах.

В заключение отметим следующее: в конечном счете штурмана на мостике интересует оценка точности расстояния до реальной опасности на море (которая отображена на карте с погрешностью R_опас)

;

даже если точность обсерваций R_o порядка метров, возможны случаи когда R_опас порядка нескольких (до 20) миль, что приводило к тяжелым авариям. В таких районах плавания на первое место выходит точность и достоверность морских навигационных карт.