НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ РАДИОНАВИГАЦИИ ГЛОНАСС И GPS

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предназначены для позиционирования, точного определения трехмерных координат (широты, долготы, высоты над уровнем моря) объекта, оснащенного специальным навигационным приемником, а также его скорости, направления движения и текущего времени [6, 8].

Глобальные навигационные спутниковые системы относятся к классу радионавигационных систем. Любые радионавигационные системы используют основные принципы распространения радиоволн. Радиоволны соответствуют диапазону частот электромагнитного излучения от 3 до 300 ГГц. Радиочастоты классифицируются по диапазонам (табл. 1.1). Скорость с электромагнитных волн в пространстве равна приблизительно 3 • 10⁸ м/с, а длина волны X определяется по выражению

Ь = с//,

где/ — частота излучения, Гц.

Таблица 7.7

Классификация радиочастот [11]

В вакууме радиосигналы распространяются со скоростью света. Вакуум есть некоторая идеальная среда без электрических и магнитных полей и препятствий. Космическое пространство в некоторой степени отвечает этому идеалу, но земная атмосфера не является такой средой, и распространение сигналов в ней может быть очень сложным в зависимости от частоты сигнала и окружения. Радиосигналы, распространяющиеся вблизи поверхности Земли, отражаются самой поверхностью, строениями, поверхностями воды или снега. Подобно свету радиоволны преломляются при переходе из одной среды в другую среду с отличающейся плотностью. Радиосигналы также рассеиваются и интерферируют один с другим. Кроме того, сигналы затухают в атмосфере.

Принцип определения своего места на земной поверхности в глобальной системе позиционирования заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее четырех) с известными параметрами их орбит на каждый момент времени и вычислении по измеренным расстояниям своих координат с помощью навигационной аппаратуры потребителя.

Навигационная аппаратура потребителя (НАП) состоит из навигационных приемников и устройств обработки сигналов, позволяющих обеспечить вычисление собственных координат, скорости и времени.

Глобальные системы спутниковых навигаций базируются на орбитальных группировках (созвездиях) спутников, в состав которых входят 24 спутника, находящиеся на околоземных орбитах на очень большой высоте и движущиеся каждый по своей орбите над поверхностью Земли. Спутники в GPS расположены в шести, а ГЛОНАСС — в трех плоскостях, развернутых, соответственно, через 60° и через 120° по долготе восходящего узла (долгота точки пересечения орбиты спутника и плоскости экватора при движении в сторону северного полушария).

На рис. 1.2 показаны отдельные виды орбит и угол наклона траектории навигационных космических аппаратов.

Скорость движения спутников весьма велика, однако параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам спутников. Спутники играют в ГНСС роль опорных реперов, относительно которых измеряется расстояние до приземного объекта.

Спутники ГНСС сконструированы и построены с применением совершенных технологий, обеспечивающих точное определение местоположения в любом месте Земли непрерывно 24 часа в сутки.

Прием сигналов от спутников ГНСС и определение координат и параметров движения автомобиля осуществляются с помощью спе-

Полярная < орбита # / э

Наклонная

орбита

Экваториальная

орбита

Плоскость

экватора

Рис. 1.2. Виды орбит и угол наклона траектории НКА

циальных устройств — навигаторов. Важной частью любого навигатора является приемник, постоянно «прослушивающий» сигналы, передаваемые навигационными спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Из всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными: приемник навигатора с помощью встроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получением сигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и таким образом определяет расстояние между спутником и приемником. Результатом последующих вычислений являются координаты местоположения.