Изучение назначения спутниковой системы навигации. Расчет координат навигационных спутников в геоцентрической фиксированной системе координат. Определение координат Глонасс-приемника. Измеренное расстояние между навигационным спутником и потребителем.
Аннотация к работе
Основными элементами спутниковой системы являются: орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; приемное клиентское оборудование, используемое для определения координат; информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат. 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. Измеренное расстояние между навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью до спутника. Для расчета координат навигационных спутников в геоцентрической фиксированной системе координат (ECEF) используется следующий алгоритм: По формуле определяется время tk, отсчитываемое от опорной эпохи эфемерид (время излучения метки времени по системной шкале): tk =t-?t-toe, где t - системное время GPS на момент передачи сообщения (время в UTC, на которое производим вычисление координат навигационного спутника. С помощью системы уравнений вычисляются прямоугольные координаты навигационного спутника на момент времени tk с учетом времени распространения сигнала от навигационного спутника до потребителя: X = x"cos(? ?e?) - y"cos i sin(? ?e?), у = x" sin(? ?e?) y" cos i cos(? ?e?), z= y" sin iСущность этого метода заключается в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующем расчете координат потребителя.
Введение
Спутниковая система навигации - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.
Основными элементами спутниковой системы являются: орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; приемное клиентское оборудование, используемое для определения координат; информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.
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 приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем 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 приемника основан на определенности скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера.
Теория
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)-советская /российская спутниковая система навигации , разработана по заказу Министерства обороны СССР . Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации (китайская система спутниковой навигации Бэйдоу на данный момент функционирует как региональная).
ГЛОНАСС предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ , предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.
Основой системы должны являться 24 спутника , движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19400 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS . Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КАГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.
В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Роскосмос и ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем ». Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом постановлением Правительства РФ в июле 2009 года был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы ». В 2012 году федеральным сетевым оператором в сфере навигационной деятельности определено Некоммерческое Партнерство «Содействие развитию и использованию навигационных технологий» .
Для определения координат Глонасс-приемника применяется псевдодальномерный метод. Сущность этого метода заключается в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующем расчете координат потребителя. Измеренное расстояние между навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью до спутника. Для определения точной позиции приемника необходимо знать расстояния между потребителем и как минимум четырьмя навигационными спутниками:тремяспутниками - для определения координат (долгота X, широта Y, высота ?), еще одним спутником - для определения расхождения шкалы времени спутников и потребителя. Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника.
Для определения местоположения навигационного приемника необходимо решить следующую систему уравнений: pi = (xi- хи )2 (уі - y и )2 (zi - zu )2 c?tnp СТИОН dmpon,i = 1,2,3,4.(1) где xi,yi,zi - координаты i-ro спутника;
xu,yu,zu - координаты навигационного приемника; с - скорость света;
?tnp - ошибка шкалы времени приемника;
Tuон - задержка сигнала за счет ионосферной рефракции, dmpon - тропосферная рефракция.
Для решения системы уравнений (1) необходимо в первую очередь определить координаты навигационных спутников по эфемеридам из таблицы 1. Фактически для расчета эфемерид необходимы следующие данные: M0 - средняя аномалия в начале отсчета;
?n- изменение среднего движения от началаотсчета времени;
тое - опорное время (опорная эпоха эфемерид или начальное время синхронизации данных);
IODE - набор данных (в алгоритме не используется).
Для расчета координат навигационных спутников в геоцентрической фиксированной системе координат (ECEF) используется следующий алгоритм: По формуле определяется время tk, отсчитываемое от опорной эпохи эфемерид (время излучения метки времени по системной шкале): tk =t -?t- toe, где t - системное время GPS на момент передачи сообщения (время в UTC, на которое производим вычисление координат навигационного спутника. Для получения координат навигационного спутника необходимо ежесекундно на каждом новом шаге прибавлять к t одну секунду).
В равенстве рассчитывается средняя аномалия навигационного спутника для данного момента времени: Mk = M0 ntk, где M0 - средняя аномалия в начале отсчета, извлекаемая из навигационного сообщения;n -средняя угловая скорость движущейся точки, которая называется средним движением.
Средняя аномалия для тела, движущегося по невозмущенной орбите, определяется умножением его среднего движения на интервал времени после прохождения перицентра.
Таким образом, средняя аномалия - угловое расстояние от перицентра гипотетического тела, движущегося с постоянной угловой скоростью, равной среднему движению.
Средняя угловая скорость движущейся точки n рассчитывается по формуле: n =n0 ?n, где п° - расчетное среднее движение, рассчитывается по формуле (6): n0= v(? / A3) где А - большая полуось орбиты навигационного спутника, извлекаемая из навигационного сообщения, А = (vА)2;
? = 3.986005•1014м3/с2 (гравитационная постоянная, умноженная на массу земли);
?n - изменение среднего движения от начала отсчета времени, передается в кадре навигационного сообщения.
Методом итераций решается уравнение Кеплера для расчета эксцентрической аномалии Ek по формуле где е - эксцентриситет, извлекаемый из навигационного сообщения, начальное приближение E0 определяется по формуле
Процесс продолжается до выполнения условия |Ек 1 - Ek | <10-7
Для определения связи между истинными и эксцентрическими аномалиями используются формулы где эксцентрическая аномалия, вычисленная на шаге 3 при решении уравнения Кеплера, е - эксцентриситет, извлекаемый из навигационного сообщения.
Далее, с учетом знаков sinv и cosv, определяется номер четверти угла v. И с учетом номера четверти для определения v вычисляется либо arcsin(v), либо arccos(v)
U" = v w, где v - истинная аномалия, вычисленная на шаге 5;
? - аргумент перицентра - расстояние перицентра от узла, извлекаемое из навигационного сообщения.
По формуле рассчитывается аргумент широты, исправленный за счет гравитационного возмущения орбиты навигационного спутника: U = U" Cus sin 2U" Cuc. cos 2U", где Cuc и Cus извлекаются из навигационного сообщения.
По уравнению вычисляется радиус-вектор навигационного спутника для данной эпохи (уравнение орбиты, заданное с помощью эксцентриситета): s = A(1-ECOSE) Crs sin2U Crc cos2U, где Crc, Cks извлекаются из навигационного сообщения.
По формуле вычисляется наклон возмущенной плоскости орбиты к плоскости экватора i = i0 Cis sin 2U Cic cos 2U IDOT • tk, где Cic, Cis, i0, IDOT извлекаются из навигационного сообщения.
С помощью системы уравнений вычисляется положение навигационного спутника в орбитальной плоскости (направление х" - по восходящему узлу, а y"- перпендикулярное к восходящему узлу направление): х" = SCOSU y" = SSINU
С помощью системы уравнений вычисляются прямоугольные координаты навигационного спутника на момент времени tk с учетом времени распространения сигнала от навигационного спутника до потребителя: X = x"cos(? ?e?) - y"cos i sin(? ?e?), у = x" sin(? ?e?) y" cos i cos(? ?e?), z= y" sin i
Рассмотрим уравнение псевдодальности следующего вида где (х,у,z)-координаты i-ro спутника Глонасс
Pi-псевдодальность до i-ro спутника Глонасс
(х,у,z)-неизвестные координаты потребителя навигационных данных
D-добавочная длина к дальности, получаемая изза ухода часов пользователя
М-число видимых спутников GPS
Система представляет собой линейную систему алгебраических уравнений следующего вида
Расчет
Исходные данные для спутника № 15 toe = 453600; Crs = 91.37500; ?n = 1.40460088005057е - 09 ;
M0 = 0.3512734835967420;
Cuc = 4.81866300106049е - 06; е = 0.00241588847711682;
Cus = 1.12559646368027е - 05;
a = 5153.73357963562; Cic = 4.2840838432312е - 08;
Для определения координат Глонасс-приемника применяется псевдодальномерный метод. Сущность этого метода заключается в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующем расчете координат потребителя. Измеренное расстояние между навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью до спутника. Для определения точной позиции приемника необходимо знать расстояния между потребителем и как минимум четырьмя навигационными спутниками:тремя спутниками - для определения координат (долгота X, широта Y, высота ?), еще одним спутником - для определения расхождения шкалы времени спутников и потребителя. Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника.
Список литературы
1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
2. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995.
3. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.
4. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.
5. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.:, 2000.