Сравнительный анализ глобальных навигационных спутниковых систем

Шепель В.И., Ергалиев Д.С., Тулегулов А.Д.

Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS) используются во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. Навигационные спутники служат для точного определения географических координат объектов. С их помощью контролируются транспортные и грузовые перевозки, отслеживается местонахождение потерянных или угнанных транспортных средств, ведется поиск людей в чрезвычайных ситуациях, проводятся исследования миграции животных и др.

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Бэйдоу (Китай), Galileo (Европа), IRNSS (Индия), Quasi-Zenith

(Япония).

Принцип работы

Для определения широты и долготы приемнику необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников, прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить высоту объекта над поверхностью .

Если расстояние от одного спутника известно можно описать сферу заданного радиуса вокруг него (рисунок 1).

Если известно расстояние до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер (рисунок 2).

Третий спутник определяет две точки на окружности (рисунок 3).

Рисунок 1

Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли.

Все способы измерения дальностей основаны на определениях времени прохождения радиоволны от спутника до приемника, то есть спутниковая навигационная система имеет жесткую привязку по пространственно-временным параметрам. Для осуществления синхронизации в наземных командно-измерительных станциях и на борту космических аппаратов установлены квантовые эталоны времени и частоты «атомные часы». Существуют два метода измерения величины дальности до космического аппарата для вычисления параметра времени распространения сигнала: активный ( запросный) и пассивный

( беззапросный). Активный более прост, но требует применения дополнительной аппаратуры, что позволяет получать более точные результаты. Система ГЛОНАСС использует активный метод, а GPS-пассивный. Также в систему наземного комплекса управления ГЛОНАСС введен центральный синхронизатор с водородным стандартом частоты, среднесуточная нестабильность которого 3*10-14 , по сравнению с 10-13 для систем GPS. Расхождение во времени в ГЛОНАСС поддерживается в пределах 1 мкс., поэтому в ней нет сдвига на целое число секунд, но есть постоянный - на 3 ч. Время GPS на ноябрь 1985г. опережало на 4 с., на июль 1993г. - на 9 с., на июль 1994 г. - 10 с. В GPS время передается в форме номера недели, который исчисляется от 0-1023, затем счет начинается сначала, и в этот момент в приемниках возможны ошибки из-за неправильного вычисления даты. В ГЛОНАСС такой проблемы нет, так как время считается от нуля часов, минут и секунд с 1 января последнего високосного года .

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, позволяющими отслеживать, практически, все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Если каналов меньше, чем «наблюдаемых» спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание спутников. Скорость обновления навигационных данных — 1 с. Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения. Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах — 2D (двумерном) и 3D (пространственном). Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат — не более 100 м.

Период обращения для ГЛОНАСС больше отличается от 12 часов. Такая орбита более выгодна с точки зрения поддержания орбитальной группировки: намного реже приходится корректировать положения космического аппарата. Зоны радиовидимости повторяются через 17 витков, примерно через 8 суток.

Навигационное сообщение каждого GPS состоит из 25 блоков по 1500 бит. Каждый блок разбит на 5 подблоков по 300 бит. Трансляция подблока - 6 с., блока - 30 с., сообщения - 12,5 мин. В ГЛОНАСС навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк. Длительность строки 2 с. Впервой строке (1,7 с.)передаются навигационные данные, во второй (0,3 с.) - метка времени. Груп-

па из 15 строк объединена в кадр длительностью 30 с. Пять кадров образуют суперкадр длительностью

2,5 мин. Обновление информации происходит быстро - за 2,5 мин., против 12,5 мин. в GPS.

Системе ГЛОНАСС присущи уникальные свойства, которыми не обладают конкуренты: в частности,

система лучше работает в условиях близости географических и магнитных полюсов Земли. Однако пока российская техника сильно уступает западным конкурентам и по стоимости, и по характеристикам, и по удобству. На малом времени жизни космических аппаратов на орбите - сказывается недостаток отечественной элементной базы, способной противостоять космической радиации. Не менее важным является тот факт, что географическая информация, используемая в приемниках ГЛОНАСС, основана на географических базах данных, предоставляемых израильской компанией TelmapLtd., которая не несет ответственности за точность, полноту и пригодность предоставляемой информации.

Сравнительные характеристики GNSS

Таблица 1._______________________________________________________________________________________

№ |Характеристики | ГЛОНАСС | GPS

п/п 1

1 Число спутников в системе 24 основных + 3 резервных

2 Масса 1,5 т. 1 т .

3 Длина 8 м. 5 м.

4 Срок активного существования космического аппарата 3-5 лет 7-8 лет

5 Число орбитальных плоскостей 3 6

6 Наклонение орбиты о со 55°

7 Высота орбиты 19100 км 20150 км

8 Период обращения 11ч 16 мин 11 ч 57 мин

9 Длительность посылки данных 2,5 мин. 12,5 мин.

10 Метод разделения сигналов спутника частотный Кодовый

11 Диапазон частот L1 1598,06-1065,38 МГц 1575,42 МГц

12 Диапазон частот L2 1242,94 - 1248,62 МГц 1227,6 МГц

13 Объем посылки данных 7500 бит 37500 бит

14 Тактовая частота кода 0,511 МГц 1,023 МГц

15 Уровень переходных помех для двух соседних каналов - 48 дБ - 21,6 дБ

16 Период повторения синхрокода 2с 6с

17 Тип используемого дальномерного кода последовательность максимальной длины код Голда

18 Селективный доступ отсутствует имеется

19 Одновременное нахождение НКА в зоне радиовидимости не менее 4 4+8

20 Предельная погрешность определения места (Р = 0,95) : не более 100 м

21 Зона действия глобально

Таблица 2.

Характеристики Бэйдоу IRNSS Galileo Quasi- Zenith

Количество спутников 5 спутников на геостационарной орбите и 30 спутников на орбите средней дальности 7 спутников на геосинхронных орбитах 30 3

Зона действия большая часть Азиатско-Тихоокеанского региона Индостан Глобально Япония

Источники ошибок.

Неточное определение времени. Типичное значение погрешности составляет около 0,6м. Ошибки вычисления орбит. Ошибка измерения координат около 0,6м.

Инструментальная ошибка приемника.Обусловлена наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого со спутника и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления расстояний расстояний. Координатная ошибка 1,2м.

Отражения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий.

Ионосферные задержки сигнала. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.

Тропосферные задержки сигнала. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

Геометрическое расположение спутников. Величина коэффициента геометрического ухудшения точности PDOP (PositionDilutionOfPrecision) зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Самым неблагоприятным будет считаться такое расположение, когда спутники выстраиваются в одну линию или расположены очень близко друг к другу. Это бывает исключительно редко и, учитывая их орбитальную скорость, длится не более 15-30 минут. Наилучшим считается такое расположение, когда спутники расположены равномерно по всей видимой небесной сфере.

Сравнительные характеристики погрешностей в системах ГЛОНАСС и GPS

Таблица 3.

Фактор Погрешность GPS, м Погрешность ГЛОНАСС, м

Ионосфера 4,3 7

Тропосфера 0,7 2

Ошибка часов 3,6 4

Шумы приёмника 1,5 6

Переотражение 1,2 3

Общая ошибка(UERE) 6 11

Выводы

Ввиду того что глобальная спутниковая группировка, покрывающая весь земной шар, представляет собой угрозу национальной безопасности той или иной страны, возникает необходимость создания национальных систем спутникового позиционирования, таких как ГЛОНАСС или «Бэйдоу». Несмотря на наличие некоторых преимуществ, национальные системы уступают по ряду характеристик и не могут обеспечить качественного непрерывного позиционирования и составить конкуренцию мировому лидеру NAVSTAR (GPS). Таким образом, локальные навигационные системы пригодны в большей мере для военных нужд государства, в то время как для мирных целей перспективным является создание единой системы. Таким требованиям удовлетворяет предложенная Европейским Союзом (EU) совместно с Европейским Кос-

мическим Агенство (ESA) концепция создания единой навигационной системы «Galileo», способной интегрировать уже имеющиеся проекты. Успешный запуск «Galileo» позволит увеличить более чем в два раза количество рабочих навигационных спутников доступных пользователям, что принесёт пользу не только при работе в автономном режиме, но и улучшит качество определения координат и способность GPS аппаратуры разрешать неоднозначность по фазе несущей для отслеживаемого спутникового сигнала .

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.Б.Серапинас «Глобальные системы позиционирования» учеб. Изд. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. -106 с.

2. В.С. Яценков «Основы спутниковой навигации» М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 272 с.