Які принципи роботи системи ГЛОНАСС?

Глобальна супутникова система ГЛОНАСС є навігаційною системою другого покоління з супутниками, розташованими на кругових орбітах заввишки близько 19100 км. Використання таких орбіт дозволяє усунути недоліки, властиві системам першого покоління на низьких орбітах ("Цикада", "Транзит") і створити глобальне навігаційне поле, що дозволяє будь-якому рухомому споживачеві уточнити в будь-який момент часу повний вектор стану (три складові координат і швидкості, час) . Прийнятий в системі пасивний (беззапитним) режим роботи споживача дозволяє приймати радіонавігаційні сигнали супутників системи необмеженій кількості споживачів, оснащених приймальні апаратурою.

Радіонавігаційні сигнали безперервно випромінюються з супутника і містять мітку часу, одержувану від бортового еталону часу і частоти та цифрову інформацію. Цифрова інформація містить координати даного супутника (ефемериди) в просторі в системі координат ПЗ-90, час відносно єдиної для системи шкали часу UTC (SU) і положення інших супутників (альманах) у вигляді кеплерівських елементів їх орбіт.

Альманах – інформація, передана супутником ГЛОНАСС в складі навігаційного повідомлення і включає: дані про шкалі часу системи, дані про шкалі часу кожного супутника та дані про елементи орбіт і технічному стані всіх супутників системи.

Ефемериди – набір просторових координат КА як функція часу. Розрізняють бортові ефемериди, що передаються КА у складі навігаційного повідомлення і забезпечують прогнозовані значення координат КА на певний період, і точні (апостеріорні) ефемериди, що розраховуються після проведення траєкторних вимірювань та описують реальний рух КА на орбіті.

Для визначення трьох координат положення, трьох складових швидкості, поправок до тимчасової шкалою щодо точного часу та частоти своїх годинників, споживачеві необхідно провести вимірювання радіонавігаційних параметрів як мінімум до чотирьох супутників системи. Причому для досягнення заданих вимог по точності необхідно, щоб ці супутники оптимальним чином були розташовані щодо споживача. Дані для входження в зв'язок і вибору споживачем оптимального "сузір'я" навігаційних супутників передаються у складі альманаху.

Вимірюваними радіонавігаційними параметрами є псевдодальності і радіальна псевдоскорость.

Псевдодальності являє собою вимірювану дальність від споживача до супутника з похибками, зумовленими розбіжністю шкали часу споживача щодо системного часу, затримками проходження радіонавігаційного сигналу в іоносфері і тропосфері і апаратурними помилками. Вимірювання псевдодальності апаратурою споживача зводяться до виміру моментів приходу сигналів, які передаються з супутників. Таким чином, псевдодальності дорівнює:

Дi = з (t0 – ti),

де Дi – виміряна псевдодальності до i-го супутника;

с – швидкість світла;

ti-час випромінювання навігаційного сигналу супутником;

t0 – час прийому сигналу апаратурою споживача.

Радіальна псевдоскорость визначається приростом псевдодальності між споживачем і супутником з похибками, зумовленими тими ж факторами, що вимірювання псевдодальності та доглядом частоти власних годин споживача.

На похибку вимірювань навігаційних параметрів впливають умови розповсюдження сигналу в іоносфері і тропосфері. Іоносферних похибок залежить від часу доби, сонячної активності, широти споживача та ін При несприятливих умовах вона може досягати величини порядку декілька десятків метрів. При сучасному рівні знань прості моделі іоносфери не дають точної корекції псевдодальності розрахунковим шляхом, тому в високоточної апаратурі споживачів використовується двочастотний метод вимірювань, що дозволяє довести похибка корекції до 0,2 м і менше.

Тропосферний похибка коректується розрахунковим шляхом без залучення апаратурних засобів при використанні порівняно простий моделі тропосферного рефракції, що спирається на параметри стандартної атмосфери (тиск, температура, вологість) і враховує залежність тропосферного похибки від висоти над поверхнею Землі і кута місця супутника. Розрахунки дозволяють зменшити величину похибки, обумовлює тропосферного похибкою, до величини порядку 0,1-1 м. За інформацією, що міститься в навігаційному повідомленні, розраховуються координати супутника на момент вимірювань.

Ефемеридна інформація розраховується на Землі (в підсистемі контролю управління) по найбільш точним моделям руху супутника і закладається на борт супутника. Здається ця інформація на дискретні моменти часу. Тому в апаратурі споживача необхідно провести прогнозування отриманих значень ефемерид від моментів завдання до моментів, відповідних вимірам. Прийнята в апаратурі споживачів модель руху супутника відображає компроміс між точністю розрахунків, складністю програмного забезпечення і дискретністю переданої з супутника інформації про параметри орбіти.

Якщо супутник залишається в складі робочого "сузір'я", по якому вирішується навігаційна завдання, більш інтервалу дискретності завдання ефемерид, то прийняті початкові значення параметрів орбіти необхідно замінити на нові, витягуючи їх з поточного навігаційного повідомлення.

У простому випадку нерухомого споживача для отримання координат розташування необхідно вирішити систему чотирьох нелінійних рівнянь з чотирма невідомими виду:

. ____________________

Дi = o (xi-x) 2 + (yi-y) 2 + (zi-z) 2 + Dд,

де xi, yi, zi-координати супутника на момент вимірювань;

x, y, z – шукані координати;

Дi – виміряна псевдодальності;

Dд – поправка до бортового часу споживача, виражена в одиницях виміру дальності.

Рішення системи нелінійних рівнянь зазвичай проводиться методом послідовних наближень лінеаризованої системи рівнянь щодо поправок до координат. Лінеаризація проводиться в околиці апріорних значень координат споживача (x, y, z)

3/4 3

Дi = Дi + å ¶ ¶ XiД i dxj + Dд,

j = 1

де i = 1, …, 4;

j = 1, …, 3;

Дi – розрахункове значення дальності між супутником і апріорно відомим місцем споживача.

Систему лінійних рівнянь можна записати в матричному вигляді:

D z = H Dx (1),

____

де Dz = [Д1-Д1, Д2-Д2, Д3-Д3, Д4-Д4] – вектор різниці виміряних та обчислених значень псевдодальності до 4-х супутників.

Dx = [dх, dy, dz, dt] Т-вектор поправок визначуваних координат;

H-матриця приватних похідних вимірюваних параметрів по уточнюється координатам.

Шукані поправки координат споживача можуть бути знайдені рішенням системи рівнянь (1). Для усунення похибок лінеаризації вихідної системи рівнянь рішення проводиться в декілька ітерацій.

Практично алгоритми визначення координат нерухомого споживача можуть відрізнятися використовуваними чисельними методами розв'язання системи рівнянь (1) і, головним чином, методами звернення матриці Н. Найчастіше при вирішенні навігаційної задачі використовують метод Ньютона і метод найменших квадратів. Цей же алгоритм може бути застосований для визначення координат рухомого споживача за умови, що вимірювання псевдодальності до чотирьох супутників виконується чотирьохканальним приймачем. У цьому випадку виміряні псевдодальності можна віднести до одного моменту часу, тому одноразова "зарубка" чотирьох псевдодальності дозволяє зафіксувати миттєве просторове положення споживача (з використанням систематичної похибки Dд) незалежно від того, рухається споживач або він нерухомий.

Для високодинамічні об'єктів, що рухаються зі значними змінними прискореннями, в вектор стану крім координат положення, швидкості, поправок до часу включаються три складові вектора прискорення і динаміка системи описується диференціальними рівняннями з шумами прискорень в правих частинах.

Для рухомих об'єктів в вектор вимірів крім псевдодальності включаються і псевдоскорості, які по суті представляють собою результати інтегрування доплерівського зсуву частоти на кінцевому інтервалі Dt = ti +1- ti. Якщо підсумувати на інтервалі tn-t0 псевдоскорості, отримані інтегруванням доплеровськой частоти з похибкою zi в послідовні моменти часу tin отримаємо приріст дальності на інтервалі tn-t0 з похибкою Szi.

i = 0

Середньоквадратичне похибка вимірювання приросту дальності доплерівським методом не залежить від тривалості інтервалу інтегрування і від розбиття інтервалу на частини.

Остання обставина дозволяє при безперервних вимірах псевдоскоростей до чотирьох супутників, виключивши систематичну похибку еталона частоти споживача, побудувати точну траєкторію руху споживача незалежно від його динаміки без використання вимірювань від датчиків швидкості і прискорення.

Остання обставина дозволяє при безперервних вимірах псевдоскоростей до чотирьох супутників, виключивши систематичну похибку еталона частоти споживача, побудувати точну траєкторію руху споживача незалежно від його динаміки без використання вимірювань від датчиків швидкості і прискорення.

Побудова траєкторії руху споживача за допомогою доплерівських інтегралів з точністю, не залежної від динаміки об'єкта і без накопичення похибок збільшень координат в часі, по суті зводить задачу уточнення координат до задачі згладжування вимірювань псевдодальності на нерухомому підставі.

Посилання на джерела:

  • Книга – Глобальна супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС
  • Інтерфейсний контрольний документ ГЛОНАСС – Документ описує систему ГЛОНАСС
  • Книга – Мережеві супутникові радіонавігаційні системи

Додаткові посилання:

  • Опис роботи системи ГЛОНАСС

Category: Медицина і здоров'я

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply