Материал: РНП ЛР 6-8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

ГЛОБАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА «NAVSTAR».

НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ТЕРМИНОВ, СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

GPS - Global Position System

МО ВВС – министерство обороны военно-воздушных сил

PNT — positioning, navigation, and timing

НКА – навигационный космический аппарат СВО - сферическая вероятная ошибка СРНС – спутниковая радионавигационная система

P – Protect

С/А- Clear (Coarse)Acquisition

АП – аппаратура потребителей

SPS - Standard Positioning Service

PPS - Precise Positioning Service

ПИ – приемоиндикатор КА – космический аппарат

ПСП - псевдослучайная последовательность

DSCS - Defense Satellite Communication System

ФМ - фазовая модуляция ИСЗ – искусственный спутник Земли ПД – псевдодальность

SA - Selective Availability

НАЗНАЧЕНИЕ

В 1957 г. группа советских ученых под руководством академика В. А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственных спутников Земли по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, в точке приема с известными координатами. Была установлена также возможность решения и обратной задачи нахождения координат точки приема по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, параметры движения которого известны.

Использование ИСЗ в качестве радионавигационной опорной станции, координаты которой хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени, позволило создать ряд проектов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Для управления работой ИСЗ должна быть на земле размещена сеть специальных станций. Назначение спутниковой системы существенно влияет на вид орбиты ИСЗ, а это в свою очередь определяет характеристики его

31

радиотехнической аппаратуры.

Наземные станции управления располагают таким образом, чтобы можно было осуществлять регулярный контроль (слежение) за траекторией спутников и передачу необходимой информации на них. Для этого в СРНС обычно используется несколько станций слежения, расположенных в различных районах Земного шара, координационно-вычислительный центр и станции ввода данных на спутники об изменении их траектории. Обновление данных на ИСЗ должно выполняться с такой периодичностью, чтобы точность определения не выходила за гарантированные пределы.

Аппаратура на спутнике должна обеспечивать прием сигналов наземных станций и излучение собственных сигналов с мощностью, достаточной для работы во всей зоне радиовидимости ИСЗ. Излучаемые НИСЗ радиосигналы должны содержать информацию о его траекторных данных в течение всего времени работы системы. На НИСЗ имеются запоминающие устройства, способные хранить траекторные данные спутников, рассчитанные наземными станциями, до их следующего обновления. Антенное устройство ИСЗ должно обладать направленностью, позволяющей производить излучение сигналов со спутника к поверхности Земли.

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.

Использование навигационных искусственных спутников Земли для определения места судна в море возможно с помощью радиосигналов, поступающих на судно со спутника, который в данном случае является навигационным ориентиром с известными координатами [1,5].

Место судна определяется 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.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение принципа построения и работы спутниковой радионавигационной системы (СРНС) «Navstar», что позволит грамотно эксплуатировать приемоиндикатор этой системы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Порядок выполнения работы

После ответа на поставленные вопросы, включить приемоиндикатор GPS,

32

ввести необходимые исходные данные и определить координаты лаборатории.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для чего предназначен, какая характеристика и состав системы GPS?

2.Какой состав космического сегмента GPS?

3.Для чего предназначен наземный сегмент GPS?

4.Какой способ лежит в основе определения места объекта в спутниковой радионавигационной системе „Navstar”?

5.На каких частотах излучают навигационное сообщение НКА?

6.Какие коды применяются в GPS „Navstar”?

7.Какая информация содержится в навигационном сообщении?

8.Какую функцию выполняет приемное устройство?

9.Назначение блоков в схеме приемника.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

В отчете отразить назначение СРНС „Navstar”, привести ее характеристики и состав. Записать полученные с помощью приемоиндикатора GPS результаты измерений.

ГЛОБАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА GPS. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СОСТАВ СИСТЕМЫ

Рис.4. Внешний вид и основные кнопки управления приемника сигналов спутниковой навигационной системы „Navstar”.

33

Глобальная спутниковая система GPS (Global Position System) предназначена для высокоточного определения трех координат места, составляющих вектора скорости и времени различных подвижных объектов. Система разработана по заказу и находится под управлением МО ВВС США.

Министерство Обороны США первоначально разрабатывало систему глобального позиционирования в 70-х годах только как спутниковую навигационную систему для решения военных задач. В начале 80-х федеральная комиссия по радио- и навигационному планированию провела объединение разработок Министерства Обороны и Министерства Транспорта в области дальнейшего преобразования системы в глобальный инструмент для местоопределения, навигации и синхронизации времени (PNT — positioning, navigation, and timing) [1].

Сегменты GPS

Глобальная навигационная система состоит из трех главных сегментов:

космический сегмент, сегмент контроля и управления, и пользовательский сегмент (рис.5).

Космическим сегментом и сегментами контроля и управления управляют Вооруженные силы США, а также космическое командование ВоенноВоздушных сил.

Рис. 5. Сегменты глобальной навигационной системы GPS

В основном, сегмент контроля и управления поддерживает целостность всех спутников и данные, которые они передают.

Космический сегмент состоит из созвездия спутников, которые в настоящее время находятся на орбите, включая эксплуатационные, резервные и неоперативные модули.

Пользовательский сегмент - это все пользователи, которые купили любое из множества коммерчески доступных приемников.

Основными разработчиками и создателями (contractors) системы являются[2]:

34

•по космическому сегменту - Rockwell International Space System Division (НКА Блок-I/II/HA/IIF), Martin Marietta Astro Space Division (Блок-IIR);

•по сегменту управления - IBM, Federal Systems Company;

•по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avionics & Communication Division.

Космический сегмент

Космический сегмент состоит из полного созвездия GPS спутников "Navstar", находящихся на орбите вокруг земного шара.

Текущие спутники изготавливаются концерном Rockwell [3].

Период вращения спутников (орбитальный период) составляет приблизительно 12 часов, означая этим самым, что каждый спутник совершает два полных оборота каждые 24 часа.

Орбитальная группировка «Navstar»

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных навигационных космических аппаратов (НКА) и от 3-х до 6-ти резервных НКА. НКА находятся на шести круговых орбитах высотой примерно 20200 км, с наклонением к экватору 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°.

План размещения НКА «Navstar» на 6-ти орбитах показан на рис. 6. Схематично размещение НКА на орбитах на 12. 2006 г. проиллюстрировано на рис. 7 [4].

Навигационный космический аппарат

Система GPS последовательно базировалась и базируется (табл. 2) на постоянно совершенствуемых НКА Блок-I, Блок-ІІ, Блок-ІІА, Блок-IIR.

Блок-IIR после 2002-03 годов заменился НКА Блок-IIF.

Втабл.4 приведены некоторые характеристики указанных НКА [1,5].

Всостав бортового оборудования НКА входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые

35