Космические навигационные системы
Спутниковая система навигации — совокупность технических средств, предназначенных для определения координат местоположения, точного времени и параметров движения.
Основные элементы
Орбитальная система станций, состоящая из спутников (от 2 до 30);
Наземная система управления и контроля;
Аппаратура потребителя — навигаторы;
Наземная система радиомаяков;
Информационная радиосистема;
Принцип работы
Принцип работы спутниковой навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте до спутников. При этом информация о начальных координатах объекта и спутника нам известна с большой точностью. В каждом спутнике есть альманах — таблица положений всех спутников. В сигнале спутника, помимо основной информации, всегда содержится таблица положений. Таким образом, зная расстояние до нескольких спутников, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерения расстояния от спутника до приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн (v=299 792 458 м / с). Также в спутниках используются атомные часы, которые синхронизированы с системным временем. При передаче сигнала возникает задержка между временем излучения и временем приёма сигнала, которая корректируется благодаря синхронизированным с общей системой времени часам. Учитывая задержку и скорость распространения радиосигнала, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны.
Рассмотрим основные характеристики отечественной системы спутниковой навигации.
СРНС Глонасс: Число спутников (резерв) -24(3). Число орбитальных плоскостей — 3. Число спутников в орбитальной плоскости — 8. Тип орбиты — круговая. Высота орбиты, м. -19100. Период обращения по среднему солнечному времени — 11ч 15мин. Способ разделения сигналов — Кодово-частотный. Несущие частоты: МГц — L1=1602–1615 L2=1246–1256. Система отсчета времени — UTC. Система отсчёта координат — ПЗ-90. Тип эфемерид — Геоцентрические координаты и их производные.
Погрешность системы
По официальным данным чистая погрешность модуля ГЛОНАСС находится в пределах 2–5 метров (это порядка 1.5 % в определении пробегов). Ошибки навигационных определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляют 4,46–7,38 метров при использовании в среднем 7–8 видимых спутников (в зависимости от точки приёма). Рельеф местности также не оказывает сильного влияния на погрешность измерения пробега. Например, при уклоне по знаку в 15–20 % — угол наклона дороги составит 8.53–11.31°, а погрешность измерения пробега составит около 1.5 %. И даже при очень крутом уклоне в 21.8°, погрешности измерения пробега составит всего около 6 %. Но все современные трекеры умеют определять высоту и делать соответствующие поправки при вычислении пробега. Таким образом, общая погрешность систем мониторинга транспорта ГЛОНАСС, при нормальных условиях, составляет менее 3,5 %.
Недостатки
Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации с трёх или четырёх спутников.
Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление передачи сигнала может меняться;
Значительные отражения сигналов от наземных объектов в городе;
Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.
Для того, чтобы устранить недостатки и погрешности спутниковых систем, их применяют в совокупности с инерциальными навигационными системами.
Инерциальная навигация
Инерциальная навигация — метод определения параметров объекта, основанный на свойствах инерции тел, являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов. Основываются на использовании внешних ориентиров или сигналов: звёзд, маяков, радиосигналов и т. п.
Принцип действия
Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств, а по этим данным — местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости и пройденного пути, а также в определении параметров, необходимых для стабилизации объекта и автоматического управления его движением. Это осуществляется с помощью:
- датчиков линейного ускорения (акселерометров);
- гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением.
- вычислительных устройств (ЭВМ), которые по ускорениям (путём их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и др. параметры движения;
Преимущества
Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получают всё более широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолётов, космических аппаратов и других движущихся объектов. Самый простой пример устройства инерциальной навигации, который используется для гражданских целей, это автомобильный спидометр. Спидометр или, иначе говоря одометр — прибор для измерения скорости вращения колеса.
Одометры
По техническим требованиям ЕЭК ООН № 39 спидометры не могут занижать показания. Средняя погрешность спидометра по этим правилам (ГОСТ Р 41.39–99) может быть только положительной и не превышать истинную скорость движения более чем на 10 %+4 км/ч. Поэтому и одометр, конструктивно связанный со спидометром, так же даёт завышенные показания. Одометры бывают различных конструкций: механические, электромеханические или электронные.
Механический одометр
Механический одометр — весьма оценочное устройство, имеет собственную погрешность до 5 %. В зависимости от условий эксплуатации, износа деталей и агрегатов и использовании неоригинальных запчастей суммарная погрешность прибора может достигать 15 %.
Электромеханические одометры
Электромеханические одометры — основаны на показаниях электронного измерителя числа импульсов от датчика скорости, расположенного обычно на коробке передач. Эти приборы несколько точней механических, ведь они избавились от нескольких слабых мест механической части. Погрешность большинства из них находится в пределах 5–7 %.
Электронные одометры
Электронные одометры — дальнейшее эволюционное развитие. Избавились от механического индикатора, который заменили жидкокристаллическим экраном. В тоже время сам принцип контроля пройденного пути (обороты колеса) остается неизменным, и даже точная электроника находится в зависимости от технического состояния ходовой части автомобиля. Если провести дополнительную калибровку на тестовом участке пути (на заводе-изготовителе эта процедура не производится), погрешность данных устройств редко превышает 5 %.
Таким образом, минимальная погрешность спутниковой навигации составляет 3.5 %, а погрешность измерения пробега от одометра варьируется от 5 до 15 %. Очевидно, что космическая навигационная система более точная, однако является и более сложной системой. В гражданских целях её используют для контроля местоположения транспортного средства. Одометр на транспортных средствах играет роль простого устройства навигации для водителя.
Литература:
- Спутниковая система навигации // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_система_навигации (дата обращения: 09.12.2015).
- pogreshnost // Navitrack. URL: http://navitrack.ru/pogreshnost.html (датаобращения: 03.11.2015)
- pogreshnost // Трансконтроль. URL: http://transcontrol.ru/news/93-probeg (дата обращения: 21.11.2015).
- Одометр // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Одометр (дата обращения: 10.02.2016).
- Погрешность пробега транспорта // Системы навигации. URL: http://systemnavi.ru/pogreshnost-probega (дата обращения: 13.03.2016).
