Навігаційне забезпечення суден

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ СНС, ТОЧНІСНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1 Аварійність через неточність обсервації

Надійне навігаційне забезпечення суден має важливе значення для безпеки їх плавання, ефективної експлуатації і запобігання екологічним лихам. Специфіка роботи морського та річного флотів визначає необхідність застосування таких засобів навігація, яка б з мінімумом витрат забезпечила задоволення сучасних і перспективних вимог, що пред'являються споживачами в будь-якому районі Земної кулі.

Особливу значущість питання надійного, високоточного контролю за положенням судна набувають при плаванні в прибережній зоні, на підхідних шляхах, у вузькостях, каналах і на акваторіях портів, де наслідки аварії судна у великій мірі пов'язані з ризиком забруднення навколишнього середовища.

Багаторічний аналіз аварій суден світового морського флоту місткістю більше 3 тис.рег.т говорить про те, що переважають чисто навігаційні види аварійності посадка на мілину і зіткнення (рис. 1) [ . Журнал «Морской флот»]. З цієї причини питання навігаційної безпеки мореплавання є найактуальнішими.

Рисунок 1. Статистика аварійності

Головним чинником безпеки мореплавання є навігаційний чинник. Не так давно основним засобом контролю місцеположення морського судна було числення шляху. Уточнення місця за допомогою обсервацій виконувалося дискретно. Починаючи з 50-х років, питання про точність навігаційної прокладки і обсервації вже не мало такої гостроти, а головною стала своєчасність (раціональна частота) обсервацій. Інструкції і повчання по організації штурманської вахти вимагали виконання своєчасних обсервацій, проте чітких кількісних критеріїв в цьому відношенні до 1983 р. не існували. При плаванні в умовах навігаційних обмежень судноводій, виходячи зі свого практичного досвіду, сам вирішував, коли і як часто визначати місцезнаходження судна, окрім тих випадків, які обмовлялися нормативними документами.

Виконання обсервацій рідше, ніж необхідно, підвищувало ризик навігаційної аварії із-за втрати точності, а частіші обсервації приводили до нераціональних витрат часу в збиток реалізації інших завдань. Об'єктивної відповіді на питання про те, що означає частіше або рідше, ніж необхідно, не існувало, хоча кожен досвідчений судноводій усвідомлював важливість цієї проблеми. "Вперше питання про вимоги до точності і частоти навігаційних обсервацій розглядалося в 1947 р. на конференції IMRAM (International Meeting on Radio Aids to Mariner). Надалі цим активно займалися Міжнародні морські організації - IAIN (International Association of Institute of navigation) і ІМО. У 1983 р. на 13-ій сесії Асамблеї ІМО в Лондоні резолюцією А529(13) був прийнятий стандарт точності навігації "Assuracy Standard for navigation", в якому містяться стандарти точності судноводіння, які визначають вимоги, що задовольняють потреби загальної навігації. При цьому райони плавання для суден, наступних з швидкістю до 30 вузлів підрозділяються на дві основні зони:

- відкрите море і прибережні райони;

- підходи до портів і портові води, а також вузькості, в яких обмежена свобода маневрування суден.

У першій зоні точність судноводіння повинна бути не гірше 4% від відстані до найближчої навігаційної небезпеки, з максимумом в 4 милі при найбільшому допустимому інтервалі часу від моменту останньої обсервації.

У другій зоні точність регламентується прийнятою в 1995г. Резолюцією ІМО А.815(19) по Усесвітній Радіонавігаційній Системі (ВРНС) і ця точність не повинна бути гірше 10м з вірогідністю 95%. Інформація, що відображається на дисплеї, про місцеположення судна повинна оновлюватися з інтервалом не більш 10с. Проте, якщо інформація про місцеположення судна використовується для безпосереднього управління судном, або в електронних картах суднових електронних картографічних систем, то в цих випадках оновлення інформації повинне здійснюватися з інтервалом не більш 2с.

Діапазон навігаційних вимог для загального мореплавання змінюється від мінімальних, що пред'являються до судноводіння малих суден, до вищих, які необхідні для навігації великих суден, де необхідно використовувати системи, що забезпечують високий ступінь точності, надійності, доступності і цілісності.

В даний час найповніше задовольняють вимогам до навігаційного забезпечення судноплавства супутникові навігаційні системи (СНС) GPS і ГЛОНАСС при використанні в штатному і диференціальному режимах роботи. Основними перевагами цих систем при використанні сигналів стандартної точності в штатному режимі роботи є глобальність робочої зони, високі доступність, точність і надійність при безперервності навігаційних визначень, а в диференціальному режимі - можливість підвищення точності і надійності навігаційних визначень в робочій зоні диференціальної підсистеми.

Після впровадження в практику мореплавання супутникової навігаційної системи GPS (DGPS) може здатися, що питання про нормування частоти обсервацій перестало бути актуальним. Проте це не так, оскільки контроль за місцеположенням судна з використанням системи GPS для судноводія є дискретним. Судноводій під час вахти виконує безліч обов'язків: забезпечення безперервного спостереження за навколишнім оточенням, розбіжність із зустрічними суднами, управління судном (особливо складне в умовах поганої видимості, в льодах, в вузькостях, штормових умовах), управління знаряддями лову і так далі. З цієї причини контроль за місцеположенням судна завжди буде дискретним. Виходить так, що автоматизована система визначення координат, якою є система GPS, дає можливість судноводієві постійно (безперервно) контролювати місцеположення судна, але реалізувати цю можливість практично він не в змозі навіть за наявності інтегрованих навігаційних систем. Таблиця частоти і точності обсервацій розроблена ІМО по суті і задуму, очевидно, повинна була стати робочим документом судноводія на вахті, а також адміністрації при перевірці якості несення вахти. З метою перевірки якості виконання вимог стандарту на морських судах був проведений статистичний аналіз.

На теплоході "Lillie Pearl", плаваючому під прапором Сент-Вінсент і Гренадіни з польською командою, з 25.09.1995 р. по 18.03.1996 р. було проаналізовано 1170 послідовних обсервацій, нанесених на навігаційні карти під час плавання. Аналіз показав, що в 82% випадків інтервали часу між обсерваціями перевищували норматив, встановлений стандартом. Такий шокуючий результат став підставою для того, щоб уважно розібратися в причинах так високого рівня порушення стандарту. При цьому в 1044 випадках для обсервацій використовувалася система GPS, а в остальных - радар. Додаткова статистика на сучасному швидкісному поромі "Wilanow", що здійснює рейси на лінії Свіноуйсьце -Мальме, за перехід в прямому і зворотному напрямі з 11 год 38 хв 27.04.97 до 15 год наступного дня показала, що з 24 виконаних обсервацій 20 здійснені з використанням системи GPS і 4 - з використанням радара [1].

З вищенаведених статистичних даних можна зробити висновок, що сучасний судноводій проявляє надмірний кредит довіри до даним обсервації отриманим за допомогою супутникових навігаційних систем. В даний час повсюдно використовується система GPS. Проте слід враховувати погрішності і неточності даної системи при користуванні нею.

Існує декілька чинників, що вносять помилку до визначення місцеположення, не дозволяють отримати якнайкращу точність. Першим і найбільш істотним з них є т.з. SA (Selective Availability - "вибірковий доступ").

SA - це навмисне зменшення точності цивільних GPS-навигаторів, здійснюване Міністерством оборони США. SA приводить до зменшення точності максимум до 100 метрів. Звичайно, внесена помилка зазвичай не досягає цієї величини, але значення в 30 і більше метрів - не так вже рідкісні.

Спочатку GPS була розроблена і створена для військових цілей. У міру її впровадження стало ясно, що вона може успішно застосовуватися і для ряду цивільних завдань. На початку 80-х років в своїй президентській промові Рональд Рейган заявив, що GPS буде доступна кожному - з тим тільки виключенням, що якнайкраща точність буде залишена для військових. З того часу почався регулярний запуск супутників з можливістю SA.

Сьогодні всі існуючі GPS-супутники мають можливість і застосовують на практиці SA. Раціональне зерно в SA - не дати військовому супротивникові або терористичним організаціям використовувати максимальну точність GPS.

Іншим чинником, що впливає на точність GPS є геометрія супутників. Поняття "Геометрія супутників" означає те, як вони розташовані щодо один одного і GPS-приемника. Якщо, наприклад, приймач "бачить" чотири супутники і все чотири розташовані в північному і західному напрямах, то супутникова геометрія погана. Причому аж до того, що приймач взагалі не зможе визначити місцеположення, оскільки всі відстані, зміряні до супутників, лежатимуть в одному глобальному напрямі. Це означає, що тріангуляція буде поганою і що область перетину побудованих прямих буде досить великою (тобто область вірогідного положення займатиме значний простір і точно вказати координати неможливо).

В цьому випадку, навіть якщо приймач видає деякі значення координат, їх точність не буде достатньо висока (можливо, 100-150 м). Якщо ж ці чотири супутники знаходитимуться у різних напрямах, то точність значно зросте. Припустимо, що вони розташовані рівномірно по сторонах горизонту - на півночі, сході, півдні і заході. Тоді, очевидно, геометрія буде дуже хорошою. Область, визначувана перетином відповідних прямих буде невелика і ми можемо бути упевнені в правильності розрахованого місцеположення. У такому разі, навіть якщо взяти до уваги дію SA, точність може бути не гірше 30 м.

До інших джерел погрішностей можна віднести так само затримку проходження сигналу із-за різних атмосферних феноменів - зменшення швидкості розповсюдження радіохвиль при проходженні іоносфери і тропосфери Землі. У космосі радіосигнали розповсюджуються із швидкістю світла, проте при попаданні їх в іонізовані шари атмосфери Землі вони істотно сповільнюються.

Супутникові навігаційні системи ГЛОНАСС і GPS, що знаходяться в експлуатації, в 1996г. були схвалені ІМО як компоненти Усесвітньої радіонавігаційної системи. Проте, при схваленні систем ГЛОНАСС і GPS, ІМО відзначила нездатність кожній з них забезпечити в штатному режимі точність, необхідну для безпечної навігації суден на підходах до портів і в інших водах, в яких свобода маневрування обмежена.

Інший відмічений недолік цих систем пов'язаний з їх нездатністю зараз забезпечувати оперативне сповіщення споживачів про порушення в роботі систем або їх елементів, які відбуваються поки досить часто.

Найбільш раціональним шляхом усунення вказаних недоліків і поліпшення основних характеристик систем ГЛОНАСС і GPS, необхідних для розширення їх функціональних можливостей, є застосування диференціального режиму роботи цих систем, що дозволяє добитися підвищення точності (10м в робочій зоні з вірогідністю 0,95%), надійності і ефективності радіонавігаційного забезпечення в робочих зонах диференціальних підсистем СНС. Диференціальний режим може розглядатися як найбільш перспективний для забезпечення плавання в умовах обмеженого маневрування, включаючи вузькості, канали і підходи до портів. Важливою особливістю реалізації диференціального режиму є можливість забезпечення контролю цілісності робочого сузір'я супутників, використовуваного для навігаційних визначень, і оперативної передачі споживачам інформації про цілісність.

Застосування СНС в стандартному режимі роботи, тобто при роботі по сигналах стандартної точності в штатному режимі, практично задовольняє вимогам до навігаційного забезпечення суден в частині точності, доступності і робочої зони при плаванні у відкритому морі. При використанні їх в диференціальному режимі в робочій зоні диференціальної системи задовольняються всі основні вимоги до навігаційного забезпечення суден на всіх етапах плавання.

1.2 Супутникові навігаційні системи

Ера радіо відкрила нові можливості перед людиною. З появою станцій радіолокацій, коли стало можливим вимірювати параметри руху і відносне місцеположення об'єкту по відображеному від його поверхні променю радіолокатора, встало питання про можливість вимірювання параметрів руху об'єкту по випромінюваному сигналу. У 1957 році в СРСР група учених під керівництвом В.А. Котельникова експериментально підтвердила можливість визначення параметрів руху штучного супутника Землі (ШСЗ) за наслідками вимірювань допплеровського зрушення частоти сигналу, що випромінюється цим супутником. Але, що саме головне, була встановлена можливість рішення зворотної задачі - знаходження координат приймача по зміряному допплеровському зрушенню сигналу, що випромінюється з ШСЗ, якщо параметри руху і координати цього супутника відомі [. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.]. При русі по орбіті супутник випромінює сигнал певної частоти, номінал якої відомий на приймальній стороні (споживач). Положення ЩСЗ в кожен момент часу відомо, точніше, його можна обчислити на підставі інформації, закладеної в сигналі супутника. Користувач, вимірюючи частоту сигналу, що прийшов до нього, порівнює її з еталонною і таким чином обчислює доплеровский зрушення частоти, обумовлене рухом супутника. Вимірювання проводяться безперервно, що дозволяє скласти свого роду функцію зміни частоти Допплера. У певний момент часу частота стає рівною нулю, а потім міняє знак. У момент рівності нулю частоти Допплера споживач знаходиться на лінії, яка є нормаллю до вектора руху супутника. Використовуючи залежність крутизни кривої допплеровської частоти від відстані між споживачем і ШСЗ і змірявши момент часу, коли частота Допплера рівна нулю, можна обчислити координати споживача.

Таким чином, штучний супутник Землі стає радіонавігаційною опорною станцією, координати якої змінюються в часі унаслідок руху супутника по орбіті, але заздалегідь можуть бути обчислені для будь-якого моменту часу завдяки ефемеридній інформації, закладеній в навігаційному сигналі супутника.

У 1958-1959 рр. в Ленінградській військово-повітряній інженерній академії (ЛВВІА) ім. А.Ф. Можайського, Інституті теоретичної астрономії АН СРСР, Інституті електромеханіки АН СРСР, двох морських НДІ і Горьковському НІРФІ проводилися дослідження по темі "Супутник", що стали згодом основою для побудови першої вітчизняної низькоорбітальної навігаційної супутникової системи "Цикада". І в 1963 році почалися роботи по побудові цієї системи. У 1967 році на орбіту був виведений перший вітчизняний навігаційний супутник "Космос-192". Характерною межею радіонавігаційних супутникових систем першого покоління є застосування низькоорбітальних ШСЗ і використання для вимірювання навігаційних параметрів об'єкту сигналу одного, видимого в даний момент супутника. Супутникова система "Цикада" призначалася, головним чином, для навігації цивільних морських суден. Оснащення супутниковою навігаційною апаратурою суден торгового флоту виявилося дуже вигідним, оскільки завдяки підвищенню точності судноводіння вдавалося настільки заощадити час плавання і паливо, що бортова апаратура споживача окупала себе після першого ж року експлуатації. Надалі супутники системи "Цикада" були обладнані приймальною апаратурою виявлення об'єктів, що терпіли лиха.

Паралельно з цим, після успішного запуску СРСР першого штучного супутника землі, в США в Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса проводяться роботи, пов'язані з можливістю вимірювання параметрів сигналу, що випромінюється супутником. По вимірюваннях обчислюються параметри руху супутника щодо наземного пункту спостереження. Рішення зворотної задачі - справа часу.

На основі цих досліджень в 1964 році в США створюється доплеровская супутникова радіонавігаційна система першого покоління "Transit". Основне її призначення - навігаційне забезпечення пуску з підводних човнів балістичних ракет Поларіс. Отцем системи вважається директор Лабораторії прикладної фізики Р. Кершнер. Для комерційного використання система стає доступною в 1967 р. Так само, як і в системі "Цикада", в системі "Transit" координати джерела обчислюються по доплеровскому зрушенню частоти сигналу одного з 7 видимих супутників. ШСЗ систем мають кругові полярні орбіти з висотою над поверхнею Землі ~ 1100 км., період обертання супутників "Transit" рівний 107 хвилинам.

В ході випробувань цих і що передувала їм систем було встановлено, що похибка місцевизначення рухомого судна по навігаційних сигналах цих супутників складає 250...300 м. З'ясувалося також, що основний внесок до похибки навігаційних визначень вносять похибки в передачі супутникам власних ефемерид, які розраховуються і закладаються на борт КА засобами наземного комплексу управління (НКУ). З метою підвищення точності визначення і прогнозування параметрів орбіт навігаційних супутників була відпрацьована спеціальна схема проведення вимірювань параметрів орбіт засобами НКУ, розроблені точніші методики прогнозування. Для виявлення локальних особливостей гравітаційного поля Землі, що діють на вибрані орбіти навігаційних КА (НКА), на такі ж орбіти були запущені спеціальні геодезичні супутники "Космос-842" і "Космос-911". Комплекс прийнятих заходів дозволив уточнити координати вимірювальних засобів і обчислити параметри моделі гравітаційного поля, що погоджувала, призначеної спеціально для визначення і прогнозування параметрів руху НКА. В результаті точність ефемерид, що передаються у складі навігаційного сигналу була підвищена практично на порядок, так що їх похибка на інтервалі добового прогнозу не перевищувала 70...80 м. Як наслідок, похибка визначення морськими суднами свого місцеположення зменшилася до 80...100 м.

Проте виконати вимоги всіх потенційних класів нових споживачів низькоорбітальні системи не могли через принципи, закладені в основу їх побудови. Так, якщо для нерухомих споживачів, що мають двоканальну приймальну апаратуру, похибку визначення місцеположення вдалося понизити до 32 м (дані для американської СРНС "Транзит"), то при русі похибки відразу ж починають зростати через неточність числення шляху - низькоорбітальні СРНС не дозволяли визначати швидкість руху. Більш того, по отримуваних вимірюваннях можна визначити тільки дві просторові координати.

Точність обчислення координат джерела в системах першого покоління так само у великій мірі залежить від похибки визначення швидкості джерела. Так, якщо швидкість об'єкту визначена з похибкою 0,5 м/с, то це у свою чергу приведе до помилки визначення координат ~ 500 м. Для нерухомого об'єкту ця величина зменшується до 50 м.

Другим недоліком низькоорбітальних систем була відсутність глобальності покриття, час між проходженням різних супутників зони видимості споживача залежить від географічної широти, на якій він знаходиться, і може скласти величину від 35 до 90 хвилин, наприклад, на екваторі супутники проходили через зону видимості споживача в середньому через 1.5 години, що допускає проведення тільки дискретних навігаційних сеансів. З огляду на те, що системи низкоорбітні, час, протягом якого супутник знаходиться в полі видимості споживача, не перевищує однієї години. Нарешті, зважаючи на використання в сеансі лише одного НКА тривалість вимірювань може доходити до 10...16 хв. Велика тривалість сеансів і значні інтервали між ними роблять неминучим застосування спеціальних заходів для числення шляху. При цьому помилки числення обмежують точність місцевизначення.

Отже, супутникові навігаційні системи першого покоління володіють рядом істотних недоліків. В першу чергу - недостатня точність визначення координат динамічних об'єктів. До недоліків можна віднести також відсутність безперервності у вимірюваннях. Головною причиною безперспективності низькоорбітальних супутникових радіонавігаційних систем є відсутність можливості визначення об'ємних координат об'єкту. І як наслідок неможливість використання даних систем у сфері авіації і інших стратегічно важливих областях.

СРНС другого покоління спочатку проектувалися як системи, яким всі перераховані недоліки не властиві. Головною вимогою при проектуванні було забезпечення споживачеві у будь-який момент часу можливості визначення трьох просторових координат, вектора швидкості і точного часу, що досягається шляхом одночасного прийому сигналів від як мінімум чотири НКА. Зрештою, це привело до реалізації важливої технічної ідеї - координації просторового положення НКА на орбітах і координації за часом випромінюваних супутниками сигналів. Координація руху всіх НКА додає системі мережеві властивості, яких вона позбавляється за відсутності корекції положення НКА.

Як орбіти для нової системи спочатку були вибрані средньовисокі (20000 км) півдобові орбіти, які забезпечували оптимальне співвідношення між кількістю КА в системі і величиной зони радіоогляду. Проте згодом висота робочої орбіти була зменшена до 19100 км. Це було зроблено виходячи з того, що для КА, що мають період обертання, рівний половині доби, виявляється резонансний ефект впливу певних гармонік геопотенціала, що приводить до достатньо швидкого "руйнування" заданого відносного положення НКА і конфігурації системи в цілому. Очевидно, що в цьому випадку для підтримки системи довелося б частіше проводити корекції орбіти кожного КА. При вибраній висоті орбіти для гарантованої видимості споживачем не менше чотирьох супутників їх кількість в системі повинна складати 18, проте вона було збільшена до 24-х з метою підвищення точності визначення власних координат і швидкості споживача шляхом надання йому можливості вибору з числа видимих супутників четвірки, що забезпечує найвищу точність. Слід зазначити, що в даний час ця вимога втратила актуальність, оскільки сучасна стандартна навігаційна апаратура споживача (НАС) має можливість приймати сигнали від 8-12 НКА в зоні радіовидимості одночасно, що дозволяє не піклуватися про вибір оптимальної четвірки, а просто обробляти всі вимірювання, що приймаються.

Одною з головних проблем створення СРНС, яка б забезпечувала беззаперечні навігаційні визначення одночасно по декількох супутниках, є проблема взаємної синхронізації супутникових шкал часу з точністю до мільярдних долей секунди (наносекунд, нс), оскільки розсинхронізація випромінюваних супутниками навігаційних сигналів всього в 10 нс викликає додаткову похибку у визначенні місцеположення споживача до 10-15 м [. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.]. Для вирішення завдання високоточної синхронізації бортових шкал часу було потрібна установка на супутниках високостабільних цезієвих стандартів частоти і наземного водневого стандарту (на порядок стабільнішого), а також створення наземних засобів звірення шкал похибкою 3...5 нс.

Другою проблемою, з якою зіткнулися розробники при створенні високоорбітальних супутникових навігаційних систем, стало високоточне визначення і прогнозування параметрів орбіт ШСЗ. Апаратура приймача, вимірюючи затримки сигналів від різних супутників, обчислює координати споживача.

Для цих цілей в 1967 році ВМС США була розроблена програма, по якій був здійснений запуск супутника TIMATION-I, а в 1969 році - супутника TIMATION-II. На борту цих супутників використовувалися кварцові генератори. В той же час, ВВС США паралельно вели свою програму після використання широкосмугових сигналів, що модулюються псевдошумовим кодом (PRN). Кореляційні властивості такого коду дозволяють використовувати одну частоту сигналу для всіх супутників, з кодовим розділенням сигналів від різних супутників. Пізніше, в 1973 році дві програми були об'єднані в одну загальну під назвою "NAVSTAR-GPS" [3]. До 1996 року розгортання системи було завершене. В даний момент доступні 28 активних супутників.

У СРСР льотні випробування високоорбітальної супутникової навігаційної системи Глонасс почалися в 1982 році запуском супутника "Космос-1413" [. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.]. Основним розробником і творцем по системі в цілому і по космічному сегменту є НВО прикладної механіки (м. Красноярськ), а по навігаційних космічних апаратах - ПО "Політ" (м. Омськ). Головним розробником радіотехнічних комплексів є РНІЇКП; відповідальним за створення тимчасового комплексу, системи синхронізації і навігаційної апаратури споживачів визначений Російський інститут радіонавігації і часу [3].

Європейський Союз запланував створити ще одну глобальну навігаційну систему (GNSS) Galileo з бюджетом 3,8 мільярда доларів ще в 1999. Очікується, що Galileo почне надавати послуги до кінця 2009.

Крім того, інші країни: Китай, Індія і Японія також планують будувати свої власні супутникові системи навігації.

Основні послуги, які надають навігаційні системи, що діють, полягають в позиціонуванні, тобто у визначенні місцеположення об'єкту в системі географічних координат, вимірювання швидкості переміщення об'єкту і передачі сигналів точного часу.

Використання цих послуг надає великий вплив на розвиток нових технологій і стиль життя людей. Супутникова навігація стала важливою інфраструктурою, так само необхідною, як дорожня мережа або мережа розподілу електроенергії. Деякі експерти вважають, що до 2015 року термінали з функціями навігації будуть поширені і затребувані подібно до стільникових телефонів.

1.2.1 Російська система ГЛОНАСС

ГЛОНАСС - Глобальна Навігаційна Супутникова Система була розроблена в 1978 р. Орбітальне угрупування у повному складі з 24 супутників в 3-х орбітальних площинах з нахилом орбіти 64.5^о була введена в дію в 1995 р.

Система в цілому включає три сегменти (рис. 2):

· космічний сегмент, в який входить орбітальне угрупування штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);

· сегмент управління, наземний комплекс управління (НКУ) орбітальним угрупуванням космічних апаратів;

· апаратура користувачів системи.

З цих трьох частин остання, апаратура користувачів, найчисленніша. Система Глонасс є беззапитною, тому кількість споживачів системи не має значення. Крім основної функції - навігаційних визначень, система дозволяє проводити високоточну взаємну синхронізацію стандартів частоти і часу на видалених наземних об'єктах і взаємну геодезичну прив'язку. Крім того, з її допомогою можна проводити визначення орієнтації об'єкту на основі вимірювань, вироблюваних від чотирьох приймачів сигналів навігаційних супутників.

Рисунок 2. Сегменти високоорбітальної навігаційної системи Глонасс

У системі Глонасс як радіонавігаційна опорна станція використовуються навігаційні космічні апарати (НКА), що обертаються по круговій геостаціонарной орбіті на висоті ~ 19100 км (рис. 3).

Період обертпння супутника навколо Землі рівний, в середньому, 11 годин 45 хвилин. Час експлуатації супутника - 5 років, за цей час параметри його орбіти не повинні відрізнятися від номінальних значень більш ніж на 5%. Сам супутник представляє собою герметичний контейнер діаметром 1,35 м і завдовжки 7,84 м, усередині якого розміщується різного роду апаратура. Живлення всіх систем проводиться від сонячних батарей. Загальна маса супутника - 1415 кг. До складу бортової апаратури входять: бортовий навігаційний передавач, хронизатор (годинник), бортовий комплекс, що управляє, система орієнтації і стабілізації і так далі.

Рисунок 3. Космічний сегмент системи ГЛОНАСС

Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС (рис.4) виконує наступні функції:

· ефемеридне і частотно-тимчасове забезпечення;

· моніторинг радіонавігаційного поля;

· моніторинг радіотелеметрії НКА;

· командне і програмне радіоуправління НКА.

Рисунок 4. Сегмент наземного комплексу управління системи Глонасс

Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовуються цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю порядка 10-13. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт з відносною нестабільністю 10-14. Крім того, до складу НКУ входять засоби корекції шкал часу супутників щодо еталонної шкали з похибкою 3-5 нс.

Наземний сегмент забезпечує ефемеридне забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на заздалегідь певний проміжок часу. Параметри і їх прогноз закладаються в навігаційне повідомлення, що передається супутником разом з передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-тимчасові поправки бортової шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання і прогноз параметрів руху НКА проводяться в Балістичному центрі системи за наслідками траєкторних вимірювань дальності до супутника і його радіальної швидкості.

Точність місцевизначення - 30 метрів для C/A-кода і близько 10 метрів для P-кода. З 1998 р., через нестачу асигнувань, орбітальне угрупування GLONASS не підтримувалося належним чином. В результаті, число супутників, що діють, зменшилося.

У 2005 уряд РФ схвалив Федеральну Програму Космічних досліджень на 2006-2015 р. з бюджетом 23.6 мільярд рублів. Росія має 18 діючих супутників з кінця 2007 і планує мати 24 діючих супутника до кінця 2010, а за останніми даними у 2009 р. У той же самий час Росія і Індія домовилися далі розробляти систему GLONASS разом.

Перший модифікований супутник GLONASS-M був запущений 26 Грудня 2004. Тестування супутника було успішно завершене і супутник введений в експлуатацію. Супутник GLONASS-M передає два сигнали для цивільних споживачів і має очікуваний термін експлуатації 7 років. Точність місцевизначення і точність сигналів часу зросли в два рази завдяки точній температурній стабілізації годинника. Надійність і цілісність системи GLONASS також покращені. Дев'ять нових супутників GLONASS-M розробляються в НПО ПМ.

Нове покоління супутників GLONASS-K також розробляється в НВО ПМ. Маса супутника GLONASS-K в 2 рази менша, ніж супутника GLONASS-M, а термін активного існування складе 10 років.

Супутники GLONASS-К передаватимуть 3 сигнали на користь цивільних споживачів і передаватимуть об'єднаний інформаційний пакет, який надати можливість надання додаткових послуг з порятунку, пошуку і зв'язку в надзвичайних ситуаціях. Всього планується замовити 27 супутників GLONASS-K. Деякі порівняльні характеристики супутників ГЛОНАСС представлені в табл. 1.

Таблиця 1

Тип супутника	GLONASS	GLONASS-M	GLONASS-K
Перший запуск	1982	2003	2007
Дата вивода з експлуатації	2006	2013	2022
Число сигналів для цивільного використания	1	2	3
Маса, кг	1415	1415	750
Потужність батарей, Вт	1000	1600	1270
Срок активного існування, років	3-4.5	7.5	10-12
Точность місцевизначення з вірогідністю 95%	60 м	30 м	5-8 м

Виведення супутників ГЛОНАСС на орбіту здійснюється з космодрому Байконур за допомогою ракети-носія "Протон". Одним носієм одночасно виводяться три супутники ГЛОНАСС.

Переклад кожного супутника в задану точку орбітальної площини проводиться за допомогою власної рухової установки.

Супутники системи ГЛОНАСС безперервно випромінюють навігаційні сигнали двох типів: навігаційний сигнал стандартної точності (СТ) в діапазоні L1 (1,6 ГГц) і навігаційний сигнал високої точності (ВТ) в діапазонах L1 і L2 (1,2 ГГц). Інформація, що надається навігаційним сигналом СТ, доступна всім споживачам на постійній і глобальній основі і забезпечує, при використанні приймачів ГЛОНАСС можливість визначення:

· горизонтальних координат з точністю 20-40 м (вірогідність 99,7%);

· вертикальних координат з точністю 50 м (вірогідність 99,7%);

· складових вектора швидкості з точністю 15 см/с (вірогідність 99,7%);

· точного часу з точністю 0,7 мкс (вірогідність 99,7 %).

Цю точність можна значно поліпшити, якщо використовувати диференціальний метод навігації і/або додаткові спеціальні методи вимірювань.

Сигнал ВТ призначений, в основному, для споживачів МО РФ, і його несанкціоноване використання не рекомендується. Питання про надання сигналу ВТ цивільним споживачам знаходиться у стадії розгляду.

Для визначення просторових координат і точного часу потрібно прийняти і обробити навігаційні сигнали не менше ніж від 4-х супутників ГЛОНАСС. При прийомі навігаційних радіосигналів ГЛОНАСС приймач, використовуючи відомі радіотехнічні методи, вимірює дальності до видимих супутників і вимірює швидкості їх руху.

1.2.2 GPS - глобальна система позиціонування, США

Система GPS є єдиною супутниковою системою навігації в даний час, яка забезпечує надання послуг в глобальному масштабі.

Американська система GPS по своїх функціональних можливостях аналогічна вітчизняній системі ГЛОНАСС. Її основне призначення - високоточне визначення координат споживача, складових вектора швидкості, і прив'язка до системної шкали часу. Аналогічно вітчизняній, система GPS розроблена для Міністерства Оборони США і знаходиться під його управлінням. Згідно інтерфейсному контрольному документу, основними розробниками системи є:

· по космічному сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

· по сегменту управління - IBM, Federal System Company;

· по сегменту споживачів - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division [3].

Система GPS складається з космічного сегменту, наземного сегменту управління і сегменту споживачів (рис. 5).

Рисунок 5. Сегменти високоорбітальної навігаційної системи GPS

Супутникове угрупування складається з 24 безперервно працюючих супутників, розташованих в 6 орбітальних площинах з нахилом 64,5^о до площини геостаціонарної орбіти (ГСО). Є і резервні - 4 супутники (рис. 6). Резервні супутники діють і також беруть участь в роботі системи, покращуючи точність позиціонування і забезпечуючи достатню надмірність. Вони також можуть бути використані і для збільшення ступеня покриття окремого регіону.

Рисунок 6. Космічний сегмент системи GPS

Сегмент наземного комплексу управління системи GPS (рис. 7) складається з:

· центру управління навігаційною системою зі своїм могутнім обчислювальним центром;

· розгорненої мережі станцій вимірювання управління і контролю, зв'язаних між собою;

· центру управління каналами зв'язку і наземного еталону часу і частоти «атомного годинника», для синхронізації бортового «атомного годинника» супутників (цей еталон більш високоточний, ніж ті, що встановлені на супутниках).

У завдання даної підсистеми входить контроль правильності функціонування супутників, безперервне уточнення параметрів орбіт і видача на супутники тимчасових програм, команд управління і навігаційної інформації. При прольоті супутника в зоні видимості станції вимірювання, управління і контролю, вона здійснює спостереження за супутником, приймає навігаційні сигнали, проводить первинну обробку даних і проводить обмін даними з центром управління системою. На головній станції відбувається обробка і обчислення тих, що всіх поступають від мережі управління даних їх математична обробка і обчислення координатних і корегуючих даних, що підлягають завантаженню в бортовий комп'ютер супутника.

Рисунок 7. Сегмент наземного комплексу управління системи GPS

НКА системи GPS проходили ряд удосконалень, які позначалися на їх характеристиках і точність сигналу в цілому. Кожен супутник випромінює так званий Р-code (Precision code - точний код), обробка якого в GPS приймачі забезпечує точність вище 5 м, і С/А-code (Coarse Acquisition code - грубий код), що забезпечує точність біля10 м.

З тих пір, як перший супутник GPS був запущений в лютому 1978 р., було запущено більш ніж 50 супутників, починаючи з GPS-I і далі 12 супутників GPS-IIR, 16 - GPS-II/IIA і 2 - GPS-IIR-M. Параметри GPS поступово поліпшувалися, що видно з табл. 2.

Таблиця 2

Тип супутника	GPS-II	GPS-IIA	GPS-IIR	GPS-IIRM	GPS-IIF
Маса, кг	885	1500	2000	2000	2170
Строк експлуатації, р	7.5	7.5	10	10	15
Бортовий час	Cs	Cs	Rb	Rb	Rb &Cs
Міжсупутниковий зв'язок	Нет	Да	Да	Да	Да
Автономна робота, днів	14	180	180	180	Більш 60
Антирадиаційний захист	Нет	Нет	Да	Да	Да
Антена	-	-	Вдосконалена	Вдосконалена	Вдосконалена
Можливість настроєння на орбіті	Слабка	Слабка	Средня	Сильна	Підвищена
Навігаційний сигнал	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P L2:P	L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M	L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C
Потужність бортового передатчика	Слабка	Слабка	Средня	Сильна	Підвищена

При проектуванні системи в цілому і НКА зокрема, велика увага приділяється питанням автономного функціонування. Так, космічні апарати першого покоління (Блок-i) забезпечували нормальну роботу системи (мається на увазі, без істотних помилок визначення координат) без втручання сегменту управління протягом 3-4 днів. У апаратах Блок-ІІ цей термін був збільшений до 14 днів. У новій модифікації НКА Блок-iir дозволяє автономно працювати протягом 180 днів без коректування параметрів орбіти із землі, користуючись лише автономним комплексом взаємної синхронізації супутників. Апарати Блок-iif передбачається використовувати замість відпрацьованих Блок-iir.

В даний час сформульовані вимоги до GPS-III - навігаційній системі третього покоління. Два найбільших світових виробників супутників Locheed Martin і Boeing повинні запропонувати свої варіанти побудови GPS-III.

Перший супутник GPS-III буде запущений в 2012/2013, а нове супутникове угрупування запрацює в новому складі до 2017/2018. Згідно поточному прогресу, перший запуск супутника GPS-III ймовірно буде відкладений на 2015.

В порівнянні з тією, що існує, система GPS-III матиме наступні особливості.

- очікуваний термін життя супутника - 12-18 років;

- вартість кожного супутника - 100-120 мільйон доларів;

- запуск двох супутників буде організований однією ракетою;

-.здатність боротьби з можливими перешкодами буде істотно посилена і інтенсивність сигналу зросте на 20 дБ;

-.точність місцевизначення складе 1 м без організації додаткових заходів, а такий недолік GPS системи, як уразливість від зовнішньої дії буде усунений.

Будуть додані додаткові послуги зв'язку, прийому і передачі сигналів лиха і пошуку об'єктів.

В даний час досліджуються достоїнства і недоліки двох варіантів побудови орбітального угрупування: 6 площин по 4 супутники на кожній і 3 орбітальних площини по 8 супутників. Очікується, що GPS-III прослужить до 2030 р.

1.2.3 Європейська Система Galileo

Програма GALILEO створюється за ініціативою Європейської Комісії і (ЄС) і Європейського Космічного Агентства (ESA) з метою забезпечення Європи власною незалежною глобальною навігаційною системою і створення конкуренції, в першу чергу з GPS.

Рада Європейського Союзу вирішила створити цивільну систему навігації в лютому 1999 р. Нова програма незабаром була названа Galileo, з бюджетом 80 мільйонів Євро. Загальні ж витрати на систему Galileo (30 супутників і земний сегмент) оцінюються в 3800 млн EUR. Створення системи розбите на 3 фази.

У фазу розробки система Galileo з бюджетом 1.1 мільярд Євро увійшла в березні 2002. Чотири супутники будуть запущені для тестування і перевірки принципових рішень.

Наступна фаза розгортання системи Galileo фінансуватиметься на 1/3 з бюджетних джерел і на 2/3 приватними компаніями. Планування бюджету завершилося повністю в 2007 р.

Остання фаза штатного функціювання передбачає самооплатність системи Galileo.

Спочатку у витоків Galileo стояли 28 держав, що входять в ESA. При цьому до Galileo приєдналися Китай, Ізраїль, Україна, Індія, Саудівська Аравія, Морокко і Корея. Так участь Китаю передбачала Договором від 2003 р. фінансування у розмірі 200 млн EUR, з яких 70 млн, - на першій фазі. У 2005 р. цей Договір був переглянутий. Договори з іншими вище перерахованими країнами так само передбачають їх участь в Galileo на певних умовах.

Ведуться переговори з Росією по взаємодії між ГЛОНАСС і Galileo. Такі держави, як Австралія, Аргентина, Бразилія, Японія, Малайзія, Мексика і Норвегія так само зацікавлені в участі в Galileo.

Повне орбітальне угрупування налічуватиме 30 супутників в трьох орбітальних площинах і кругових орбітах заввишки 23616 км. від Землі і нахилом орбіти 56^о. У кожній з площин знаходитимуться 9 робочих і 1 резервний супутник. Кожен супутник матиме вагу 700 кг, потужність 1600 Вт, розміри 2,7 х 1,1 х 1,2 м і ширину при розгорнених сонячних батареях 13 м.

Galileo передаватиме 10 сигналів різного призначення на трьох несучих частотах, що дозволить забезпечити наступні види послуг:

- доступні всім послуги з визначення місцеположення з точністю краще, ніж 9 м для масового споживача;

- комерційні послуги з визначення місцеположення з точністю вище, ніж 1 м;

- послуги для служб порятунку для всіх видів транспорту;

- послуги для державних служб, таких як поліція, пожежники, швидка допомога, для військових цілей і для інших служб життєзабезпечення;

- послуги з пошуку і порятунку в доповненні до супутникової системи COSPAS-SARSAT.

28 грудня 2005 р. перший супутник в системі Galileo - GIOVE-A, побудований компанією Surrey Satellite Technology, був запущений з космодрому Байконур ракетою Союз-Фрегат. До 2006 випробування були повністю завершені.

Існують проблеми з приєднанням до Galileo країн - не членів EU. Доступ до послуг з високою точністю вимірювань буде для цих країн заборонений, що не влаштовує, наприклад, Китай.

1.2.4 Індійська Супутникова Регіональна Система Навігації

Уряд Індії схвалив 9 Травня 2006, проект розгортання Індійською Супутникова Регіональна Система Навігації (IRNSS) з бюджетом 14.2 мільярда рупій протягом наступних 6-7 років. Супутникове угрупування IRNSS складатиметься з семи супутників на геосинхронних орбітах. Причому чотири супутники з семи в IRNSS будуть розміщені на орбіті з нахилом в 29^о по відношенню до екваторіальної площини. Всі сім супутників матимуть безперервну радіо видимість з Індійськими управляючих станцій.

Супутники IRNSS використовуватимуть платформу, подібну тій, яка використовується на російському метеорологічному супутнику Kalpana-1 з масою 1330 кг і потужністю сонячних батарей 1400 Вт. Корисне навантаження включатиме два 40 Вт твердотільних підсилювача.

Земний сегмент IRNSS матиме станцію моніторингу, станцію, резервування, станцію контролю і управління бортовими системами. Державна компанія ISRO є відповідальною за розгортання IRNSS, яка знаходитиметься цілком під контролем Індійського уряду. Навігаційні приймачі, які прийматимуть сигнали IRNSS, так само розроблятимуться і випускатимуться індійськими компаніями.

1.2.5 Китайська Навігаційна Супутникова Система Compass

Китай, що є найбільшою країною, що швидко розвивається, в світі, також почав будівництво своєї власної супутникової системи навігації Compass.

Космічний сегмент супутникової системи навігації Compass буде сформований з 5 супутників на геостаціонарній орбіті (ГСО) і 30 супутників на середній земній орбіті.

Будуть передбачені два типи послуг. Для загального користування передаватиметься сигнал, обробка якого дозволить добитися точності місцевизначення в 10 м, швидкості в 0.2 м/с і визначення поточного часу з точністю 50 нс.

Обмежений круг користувачів отримає можливість вимірювань з більшою точністю.

Три супутники на ГСО були виведені в 2000 р. Така система їх трьох супутників в даний час надає послуги місцевизначення, точного часу і зв'язку, і успішно доповнює GPS. Ще 2 супутники були запущені на початку 2007 р. Як очікується, Навігаційна Супутникова Система Compass надаватиме послуги на території Китаю і сусідніх держав з 2010 р.

Китай бажає співробітничати з іншими країнами в розробці супутникової навігації, щоб забезпечити взаємодію Compass з іншими глобальними навігаційними системами.

1.2.6 Японська Quasi-Zenith супутникова система (QZSS)

Спочатку Японська QZSS була задумана в 2002 р. як комерційна система з набором послуг для рухомого зв'язку, віщання і широкого використання для навігації в Японії і сусідніх районах Південно-східної Азії. Перший запуск супутника для QZSS був запланований на 2008 р. У березні 2006 Японський уряд оголосив, що перший супутник не буде призначений для комерційного використання і буде запущений цілком на бюджетні кошти для відробітку ухвалених рішень на користь забезпечення вирішення навігаційних завдань. Тільки після вдалого завершення випробувань першого супутника почнеться другий етап і наступні супутники повною мірою забезпечуватимуть запланований раніше об'єм послуг. Нова дата для запуску першого супутника була перенесена на 2010 р.

Всього до супутникового сегменту увійдуть 3 супутники, орбіти яких будуть вибрані так, щоб їх підсупутникові крапки описували на земній поверхні одну і ту ж траєкторію з однаковими тимчасовими інтервалами. При цьому, принаймні один супутник буде видний під кутом місця більше 70 градусів у будь-який час на території Японії і Кореї. Ця особливість і визначила назву навігаційної системи - Quasi-Zenith. Антени супутників передаватимуть сигнали практично у всій зоні видимості супутників, забезпечуючи навігацію і передачу сигналів точного часу. Проте сигнали L1-SAIF, які включають різні поправки, що дозволяють підвищити точність вимірювань за допомогою сигналів GPS і, можливо, Galileo, передаватимуться за допомогою параболічної антени тільки на Японію.

Сигнали, які випромінюватимуть супутники QZSS, повністю сумісні з сигналами майбутньої GPS (L1 - 1575.42 МГц; L2 - 1227.60 МГц; L5 - 1176.45 МГц).

Японська QZSS в основному призначена для поліпшення характеристик GPS на національній і деяких сусідніх територіях. Очікується, що впровадження QZSS дозволить істотно підвищити ефективність вирішення навігаційних і інших завдань і додасть прискорення впровадженню нових застосувань для навігації, які вимагають більшої точності і надійності.

1.2.7 Важливість прийняття участі в розвитку СНС

У найближчій перспективі одночасно працюватимуть три глобальних навігаційних супутникових системи GPS, GLONASS і Galileo. Практично у всіх країнах в даний час широко використовується тільки GPS, нормальне функціонування якої цілком залежить від уряду США. У деяких областях, як наприклад диспетчеризація польотів літаків, використання GPS є невід'ємною найважливішою складовою частиною інфраструктури.

В той же час навігаційні системи в найближчому майбутньому складуть невід'ємну частину інфраструктури держави і безпосередньо впливатимуть не тільки на безпеку, але і на розвиток промислового виробництва в цілому.

Жодна держава не може і не хоче в своєму розвитку залежати в якій-нібито області від іншої, хоча і дружної в даний момент, держави. Тому пошук альтернативи GPS і привів до створення Galileo і приєднанню до неї багатьох розвинених держав. Переваги, які з'являються від приєднання до альтернативної навігаційної системи на етапі її розвитку наступні:

- диверсифікація рисок, пов'язаних з роботою GNSS, за допомогою диверсифікації інфраструктури земного сегменту і використовуваного устаткування;

- .створення нових робочих місць за умови розробки і експорту нового устаткування для GNSS;

- можливість завчасного впровадження технологічних переваг використання GNSS в системи зв'язку, транспорту і розвиток нових технологій.

1.3 Диференціальні системи супутникової навігації. Огляд сучасного стану

Точність визначення координат споживача, яку забезпечують системи GPS і GLONASS, складає близько 10-20 м. Проте для багатьох застосувань, таких як навігація автомобілів, суден на вузьких фарватерах, геодезії, навігації літальних апаратів, подібна точність недостатня. Для збільшення точності місцевизначення був запропонований метод диференціальної навігації, який забезпечує точність до декількох десятків сантиметрів.

Диференціальний режим реалізується за допомогою контрольного навігаційного приймача, званого базовою станцією. Базова станція встановлюється в крапці з відомими географічними координатами. Порівнюючи відомі координати (отримані в результаті прецизійної геодезичної зйомки) із зміряними координатами, базовий навігаційний приймач формує поправки, які передаються споживачам по каналах зв'язку (рис. 8).

Рисунок 8. Структурна схема методу DGPS

Приймач споживача враховує прийняті від базової станції поправки при рішенні навігаційної задачі. Це дозволяє визначити його координати з точністю до одного метра.

Розрізняють два методи обчислення поправок:

· метод корекції координат, коли як диференціальні поправки з базової станції передають добавки до зміряних у визначуваному пункті координат. Недоліком цього методу є те, що приймачі базового і визначуваного пунктів повинні працювати по одному робочому сузір'ю. Це незручно, оскільки всі споживачі, що використовують диференціальні поправки, повинні працювати по одних і тих же ШСЗ;

...