Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

96

Диапазон радиоволн, используемых в спутниковых РНС, выбирают исходя из условий наименьшего затухания в атмосфере и возможности применения антенн

небольших размеров как на спутниках, так и на судах. Наилучшими в этом отношении оказываются метровые, дециметровые и сантиметровые волны, на

которых можно передавать сигналы с широкой полосой частот, т. е. с большим содержанием информации.

Типы орбит ИСЗ

Высота орбиты ИСЗ определяется, прежде всего, площадью поверхности, на которой одновременно он должен быть виден, и связана с мощностью излучения передатчика спутника. При облучении большой поверхности необходима большая

высота орбиты и, следовательно, большая мощность передатчика. При малой высоте мощность излучения может быть уменьшена, но в этом случае спутник

быстро проходит над данным районом, что сокращает время определения по нему. Кроме того, при небольшой высоте из-за сильного торможения в атмосфере орбита спутника существенно изменяется и его срок службы сокращается. Поэтому, на

высоту, меньшую 200 км, спутник запускать нецелесообразно.

Важная эксплуатационная характеристика СНС – размер зоны радиовидимости (величина обслуживаемой поверхности) ИСЗ. Под зоной радиовидимости понимается малый круг на поверхности Земли, в пределах которого могут приниматься сигналы данного ИСЗ (см. рис.2.1) [1,3].

Сферический диаметр Q зоны радиовидимости определяется уравнением

secQ/2 =1+H/R3,

где: H – высота орбиты ИСЗ; R3 – радиус Земного шара.

При движении спутника по орбите зона радиовидимости будет также перемещаться, образуя на поверхности Земли полосу

радиовидимости, которая в силу суточного вращения Земли будет

постоянно смещаться к западу.

Это смещение d за время Тс, равное одному обороту спутника

вокруг Земли, в функции широты φ и угла і наклонения орбиты

определяется выражением:

d = 15 Тс sini·cosφ .

Величина обслуживаемой поверхности зависит от периода

обращения спутника вокруг Земли Тс и частоты его пролета в

данном районе, поэтому характер орбиты (ее вид и наклон)

выбирается соответствующим образом. Чем выше орбита, тем

больше период обращения ИСЗ. При орбите, близкой к круговой, высота изменяется незначительно, расчет Рис.2.1. Зона радиовидимости СНС траектории спутника и слежение за ним проще, но

вывод спутника на орбиту сложен. Эллиптическая орбита затрудняет слежение за

спутником и учет всех сил, действующих на него, однако вывод на орбиту

оказывается более простым.

В зависимости от угла наклона орбиты i относительно плоскости экватора все спутники разделяют на экваториальные (i = 0), наклонные (0<i<90°) и полярные (i = 90°).

Экваториальные спутники все время вращаются в плоскости экватора. Низкие

спутники перемещаются над поверхностью Земли и видны всегда в одной и той же полосе наблюдения, ширина которой, например, при высоте спутника 1000 км равна

97

3600 миль. Если ИСЗ выведен на круговую орбиту с высотой 35 870 км и вращается с запада на восток с периодом Тс =24 ч, он находится все время над одной и той же

точкой Земли и с этой точки кажется неподвижным (стационарный спутник). Такой спутник виден на поверхности земного шара, ограниченной центральным углом 162°,

от широты 81° Южного полушария до широты 81° Северного полушария. Практически один стационарный спутник в состоянии обслужить акваторию всего Тихого океана.

Три экваториальных стационарных спутника, расположенных в пространстве через 120° относительно друг друга, могут обеспечить передачу сигналов на всю

поверхность Земли (за исключением полярных областей). Из пяти спутников, равномерно расположенных на стационарной орбите, можно одновременно использовать два. При определении места по таким спутникам достаточно знать их

долготу. Для обслуживания также и полярных районов могут применяться квазистационарные (синхронные) спутники с суточным периодом обращения, но с

небольшим (5°...7°) наклоном орбиты относительно плоскости экватора.

Наклонные спутники, с наклоном орбиты под углом 30° ... 60° к экватору, могут иметь орбиту высотой от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч

километров. При большой высоте они видны на большой поверхности Земного шара, поэтому даже при небольшом их количестве можно обслуживать весь Земной шар.

Полярные спутники вращаются в плоскости меридиана, но из-за вращения Земли они периодически проходят над всеми районами Земного шара.

Если полярная орбита имеет высоту около 1000 км, торможение от атмосферы

незначительно и спутники при массе несколько десятков килограммов могут существовать в течение десятков лет. Диаметр зоны видимости ИСЗ при такой высоте равен 3600 миль, т. е. одновременно он виден на достаточно большой территории. Обращение вокруг Земли осуществляется за 105 мин. Полоса наблюдения за один оборот спутника смещается к западу на 1500...800 миль (в широте 0°... 60°), т. е. на последующих витках спутника полосы частично перекрываются. Продолжительность наблюдения спутника равна 16 мин, если

трасса спутника проходит через точку наблюдения. При смещении точки

наблюдения относительно трассы на расстояние 1000 миль время наблюдения уменьшается приблизительно до 14 мин.

За одни сутки такой полярный спутник можно использовать для наблюдения

два раза на экваторе и четыре раза на широте 60°. Для получения дискретности

определения 0,5. . . 1,5 ч в любой точке земного шара необходимо иметь 5 ... 6

спутников на орбитах, равномерно смещенных вокруг Земли. Определение по спутнику невозможно, если он виден под углом менее 7° относительно горизонта, изза больших помех и затухания радиоволн в атмосфере.

При определении места необходимо учитывать искривление пути радиоволн

при их распространении через ионосферу, которое зависит от угла места спутника и частоты принимаемых колебаний.

Если используются метровые и дециметровые волны без учета ионосферной

рефракции, ошибка в местоположении может достигать нескольких сотен метров. На сантиметровых волнах ошибка практически отсутствует и может быть полностью

исключена при одновременном измерении навигационного параметра на двух различных частотах.

98

2.1.Типы спутниковых систем 2.1.1.Спутниковые радионавигационные системы (СРНС)

Использование навигационных искусственных спутников Земли для определения места судна в море возможно с помощью радиосигналов,

"связывающих" судно со спутником, который в данном случае является навигационным ориентиром с известными координатами [1,13].

Место судна может быть определено принципиально одним из двух способов:

1.На судне - по радиосигналам спутника при известных его координатах в течение всего времени движения НИСЗ или на момент определения места.

Этот способ является основным и используется в различных действующих спутниковых РНС. Определение места осуществляется обычно в пассивном режиме, при котором на судне ведется только прием сигналов. (Возможен и активный

режим, требующий установки на судне приемопередающей аппаратуры).

2.На наземной контрольной станции - по радиосигналам запроса со спутника и

ответа с судна.

Ответ судна не содержит данных о его координатах, рассчитываются они на

контрольной станции, где имеются траекторные данные спутника и данные о моменте получения ответа судна. Такой способ пригоден для оперативного

определения местоположения судов всего флота.

При беззапросном варианте спутник не запрашивает судно, а лишь принимает от него радиосигналы. При этом контрольная станция получает данные для определения места судна. В настоящее время беззапросный способ используется в космической системе поиска аварийных судов и самолетов (КОСПАС — САРСАТ)

[16,17].

Спутниковые РНС обеспечивают независимое от времени суток и года глобальное обслуживание и выдают однозначные координаты судна с точностью от нескольких кабельтовых до нескольких метров.

Обслуживание информацией судов, находящихся в различных районах Земного

шара, может быть обеспечено при наличии определенного количества ИСЗ. Орбиты,

по которым происходит полет спутников, выбраны таким образом, чтобы ИСЗ находились в зоне радиовидимости в течение необходимого времени или постоянно.

Определение места в некоторых, ранее применявшихся СРНС, например, в СРНС

«Транзит» (США) осуществлялось лишь периодически с интервалом от получаса до

нескольких часов в зависимости от района плавания, а в ныне действующих СРНС,

например, в СРНС «Навстар» (США); «ГЛОНАСС» (Россия) — в любой момент

времени и может быть непрерывным.

Непрерывность определения или определение по нескольким параметрам, в том числе - и при использовании эффекта Доплера, обеспечивают получение не только места судна, но и вектора его скорости.

ВСРНС «Транзит» скорость судна определялась с точностью 0,5 ... 1,5 уз, а в

СРНС «Навстар» определяется с точностью 0,2 уз.

Функционирование НИСЗ предполагает наличие на Земле системы

специальных наземных станций слежения за спутниками и управления всей системой. Как на наземных станциях, так и на спутниках устанавливаются различные

радиотехнические устройства, обеспечивающие радиосвязь между ними и передачу сигналов со спутника на судно.

На судне применяется приемоиндикатор, осуществляющий прием радиосигналов, их обработку и выдачу необходимой информации. Все это может быть выполнено только при объединении приемоиндикатора с ЭВМ. Поэтому,

99

несмотря на то, что первые СРНС появились в середине 60-х годов, массовое применение приемоиндикаторов на судах торгового и рыбопромыслового флота

стало возможным спустя не менее 10 лет, когда появились недорогие ЭВМ, выполненные на интегральных схемах.

Например, плата приемника современного приемоиндикатора СРНС «Навстар» содержит: высокочастотный приемный тракт, устройства сложной математической обработки принятых из космоса сигналов, компьютер с большим быстродействием и

значительной памятью, микроэлектронные схемы его сопряжения с внешними устройствами и другие сложные элементы. Сама плата имеет несколько слоев

печатного монтажа и обеспечивает одновременный прием и обработку сигналов до восьми спутников. Управляют этим «ансамблем» уникальные математические алгоритмы, реализованные в виде машинных программ [25].

2.2. Методы определения места судна

Определение места судна с помощью ИСЗ предполагает решение трех

отдельных задач, а именно:

-определение координат спутника (его траекторных данных ) в момент измерения

навигационного параметра;

-относительную привязку, т. е. нахождение координат судна относительно

спутника;

-вычисление географических координат судна.

Координаты спутника и географические координаты судна определяются в результате обработки в ЭВМ судового приемоиндикатора, по специальной

программе, траекторных данных ИСЗ и относительных координат ИСЗ — судно.

Для нахождения координат судна применимы, в большинстве своем, методы, которые используют обычно в наземных радионавигационных системах. Однако техническое решение определения места судна в спутниковых РНС достигается применением специальных методов определения.

Возможны следующие методы определения места с использованием ИСЗ

[1,2,3]:

-угломерный — определяется угловая высота спутника;

-доплеровский – использование эффекта Доплера – определение сдвига частоты излученного ИСЗ радиосигнала относительно опорной (эталонной)

частоты приемоиндикатора;

-радиально-скоростной — определяется скорость сближения спутника с судном, что равносильно использованию гиперболической РНС с изменяющейся длиной базы;

-разностно-дальномерный — определяется разность расстояний до одного и того же спутника в различных точках его движения по орбите, что равносильно использованию гиперболической РНС с перемещающейся базой. (Этот метод

применялся в СРНС «Транзит» и «Цикада»).

-дальномерный — определяется наклонная дальность до спутника.

Разновидность дальномерного метода - псевдодальномерный метод.

ВСРНС «Навстар» и «ГЛОНАСС» используют псевдодальномерный, а также доплеровский методы определения места судна.

2.2.1.Угломерный метод

Угломерный метод определения, являясь наиболее простым и близким к астрономическим методам, позволяет определить место по одному ИСЗ, так как за

время полета спутника в зоне видимости происходит значительное изменение его

100

высоты и азимута. Следовательно, за короткий промежуток времени можно получить несколько линий положения, пересекающихся друг с другом.

Судовое устройство, представляющее собой радиосекстан, с помощью остронаправленной антенны должно следить за спутником с точностью, равной

долям угловой минуты. Размеры такой антенны (даже на сантиметровых волнах) становятся неприемлемыми для судовых условий, тем более, что ее основание должно иметь хорошую стабилизацию в пространстве. Расчет линий положения и

места судна из-за быстрого перемещения спутника возможен лишь на ЭВМ. Все это вместе взятое не позволяет использовать угломерный способ определения места по

ИСЗ в судовождении.

2.2.2. Доплеровский метод определения

При наличии на ИСЗ радиоаппаратуры, излучающей непрерывные

немодулированные колебания высокой частоты f0, в приемник судового приемоиндикатора поступят колебания с частотой f, в общем случае не равной излучаемой частоте.

Объясняется это эффектом Доплера, который возникает при взаимном перемещении источника и приемника колебаний. Если источник и приемник приближаются друг к другу, то f>f0, если же расстояние между ними увеличивается,

то f<f0 .

Чем больше скорость изменения расстояния, тем больше принимаемая частота f

отличается от излучаемой f0.

Эталонный генератор с частотой f0 , установленный в приемоиндикаторе, дает возможность получить разностную доплеровскую частоту

FД= ± (f - f0) .

Следовательно, прием колебаний от приближающегося спутника дает доплеровскую частоту положительного знака, а прием от удаляющегося спутника — доплеровскую частоту отрицательного знака.

В момент нахождения ИСЗ на кратчайшем расстоянии S от точки наблюдения

(судно на «траверзе спутника») частота FД = 0, но скорость ее изменения

наибольшая.

Таким образом, зафиксировав момент времени, при котором доплеровская частота

равна нулю (при нахождении ИСЗ на минимальном удалении от

наблюдателя),можно найти одну линию положения, а зная скорость изменения

частоты,— и другую линию.

Первая является линией направления, перпендикулярной к трассе ИСЗ в точке кратчайшего расстояния, вторая — окружностью с определенным значением удаления от трассы.

Рассмотренный метод определения, называемый «траверзным», не

используется в СРНС, так как дает всего две взаимно пересекающиеся линии положения за один пролет ИСЗ.

Сетку из ряда линий положения за один пролет навигационного ИСЗ

обеспечивают доплеровские радиально-скоростной и разностно-дальномерный

методы.

2.2.3.Радиально-скоростной метод

В общем случае значение доплеровской частоты от частоты излучения сигнала

навигационным спутником и скорости его движения определяется выражением