Принцип действия
Основное назначение спутниковых навигационных систем  определение координат места различных объектов в любой точке Земного шара или вблизи поверхности Земли вне зависимости от времени суток и метеоусловий. В практике современного судоходства получили распространение СНС доплеровского типа. Эти системы используются как глобальные средства дальней радионавигации, обеспечивающие определение координат места судна с точностью, достаточной для плавания в открытом море.
 
В интересах гражданских потребителей эксплуатируются две СНС доплеровского типа  «Цикада» (СССР) и «Транзит» (США). Зона действия системы «Цикада»  вся акватория Мирового океана без ограничений, зона действия системы «Транзит» ограничена широтами 88° с.ш. и 88° ю.ш. Структура построения и принцип работы обеих систем примерно одинаковы и отличаются в деталях. Обе системы являются пассивными, т.е. для определения координат места судна достаточно обеспечить только прием сигналов искусственных спутников Земли (ИСЗ). Количество потребителей таких систем не ограничено. СНС доплеровского типа доступны для любых потребителей, имеющих соответствующую приемную аппаратуру.
 
Каждая из систем включает в себя три основные части  командно-измерительный комплекс, искусственные спутники Земли (ИСЗ), аппаратуру потребителей.
 
Командно-измерительный комплекс состоит из ряда наземных станций слежения, станций передач команд на борт ИСЗ и вычислительного. Станции слежения разнесены по долготе таким образом, чтобы обеспечить наблюдение за ИСЗ на нескольких последовательных витках. Наземные станции слежения обеспечивают траекторные измерения ИСЗ и прием телеметрической информации, необходимой для контроля работоспособности различных подсистем ИСЗ. Траекторные измерения выполняются с помощью многоканальной аппаратуры. При использовании нескольких частот удается значительно снизить влияние эффекта распространения радиоволн в ионосфере на точность измерений параметров орбит ИСЗ. Эффект влияния тропосферы учитывается по данным метеоусловий на момент измерений. Все каналы траекторных измерений связаны с устройствами регистрации параметров и привязки полученных значений к шкале единого времени. Каждая наземная станция слежения использует шкалу времени, основу которой составляет высокостабильный опорный генератор, синхронизированный по частоте и по фазе с центральным генератором системы единого времени СНС. Согласование временных шкал наземных станций слежения с эталонной шкалой системы единого времени СНС осуществляется периодически по радиосигналам, передаваемым службой времени.
 
Результаты траекторных измерений с наземных станций слежения передаются по каналам связи на вычислительный центр, где производится определение текущих параметров движения ИСЗ. При расчетах экстраполированных значений элементов орбиты ИСЗ на заданный временной интервал в качестве исходных используются многочасовые серии траекторных измерений. Вычисляются две группы параметров  данные, составляющие основу навигационных сообщений на ближайшие 16 24 ч, и данные, необходимые для долгосрочного, до двух месяцев, прогноза движения ИСЗ. Результаты расчетов, составляющие основу навигационных сообщений спутников, поступают на станцию передачи команд, откуда по радиоканалу транслируются на ИСЗ системы. Передача осуществляется 1 или 2 раза в сутки на каждый ИСЗ. После каждого ввода навигационной информации осуществляется контроль правильности записи данных в запоминающем устройстве аппаратуры спутника; в случае обнаружения ошибок производится повторный ввод.
 
ИСЗ выполняют функции навигационных ориентиров, на которые возложена задача передачи данных, характеризующих их пространственное положение на фиксированные моменты времени. Характер орбит, количество ИСЗ, структура и состав передаваемой информации определяют основные характеристики системы.
 
В состав оборудования навигационного спутника, кроме систем общего назначения, характерных для космических аппаратов, входят аппаратура, обеспечивающая прием служебной и эфемеридной информации со станций передачи команд; запоминающее устройство для хранения орбитальных данных; устройство управления навигационным режимом аппаратуры; передатчики навигационных сигналов.
 
 
 
 
Структурная
схема
бортовой
аппаратуры
навигационного
ИСЗ
 
 
 
В CHC доплеровского типа применяются спутники на орбитах, близких к круговым. В СНС «Цикада», например, используются ИСЗ с высотой орбит около 1000 км, периодом обращения около 105 мин и углом наклонения орбит относительно экватора примерно 83°. При таком выборе орбит обеспечивается дальность работы системы.
 
В СНС «Транзит» используются спутники нескольких видов, например серий «Оскар» и «Нова». Все спутники расположены на полярных круговых орбитах с высотой около 1075 км над уровнем Земли.
 
Количество одновременно включенных ИСЗ в рамках каждой системы не превышает шести. Спутники некорректируемы, поэтому в силу различных факторов, вызывающих прецессию орбит, геометрия взаимного расположения ИСЗ в системе постоянно изменяется. В случаях, когда ИСЗ системы приближаются один к другому на расстояния, при которых в судовых приемоиндикаторах затруднено разделение сигналов по частоте, по командам с командно-измерительного комплекса производится выключение аппаратуры соответствующих спутников. В навигационных предупреждениях заранее объявляются даты выключения, причины и дата планируемого последующего включения спутников.
 
Аппаратура потребителей обеспечивает прием сигналов ИСЗ, декодирование орбитальных данных, измерение навигационных параметров и решение задачи определения координат места объекта. На аппаратуру морских потребителей  судовые приемоиндикаторы СНС возложено также решение ряда навигационных и вспомогательных (сервисных) задач.
 
Ответственность за работу системы в целом возлагается на центр управления СНС. В центре управления сосредоточены все данные о параметрах системы, здесь принимаются решения о включении (выключении) ИСЗ, решаются оперативные вопросы, связанные с эксплуатацией системы и отдельных ее элементов. Возможности СНС определяются их выходными тактико-техническими характеристиками и параметрами, к числу которых в первую очередь относятся: класс потребителей системы; зона действия; точность определения координат; дискретность определения координат; пропускная способность; метод определения координат; геодезическая основа; количество частотных каналов; помехозащищенность; надежность.
 
Точность системы доплеровского типа характеризуется средней квадратичной погрешностью определения координат места неподвижного объекта при одном навигационном сеансе. Для подвижных объектов, в том числе для судов, при оценке точности координат оговаривается дополнительная погрешность, вызванная неточностью в учете скорости собственного движения во время навигационного сеанса.
 
Для неподвижных объектов, координаты которых могут быть определены по серии навигационных сеансов, при соответствующей обработке данных возможно достижение более высоких точностей, чем те, которые объявлены в параметрах системы. В практике гидрографических и топогеодезических работ, например, нашла применение аппаратура, обеспечивающая обработку данных по результатам последовательных обсерваций на нескольких сеансах.
 
Дискретность определения координат. В параметрах СНС обычно оговаривается среднее значение дискретности определения координат для определенных диапазонов широт. Практически в силу прецессии орбит ИСЗ интервалы времени между навигационными сеансами значительно отличаются от средних значений. Минимальное значение интервала между обсервациями ограничено временем вхождения в связь с ИСЗ, длительностью сеанса, временем решения навигационной задачи и для систем «Цикада» и «Транзит» на широтах выше 70° составляет 8 мин, максимальное значение интервала при самых неблагоприятных условиях в районе экватора может составлять до 8 ч.
 
Метод определения координат. С точки зрения радиотехнических измерений СНС «Цикада» и «Транзит» являются системами доплеровскими, так как навигационная информация, используемая потребителями, содержится именно в доплеровском сдвиге частоты сигнала, переданного с ИСЗ. С точки зрения геометрии СНС доплеровского типа можно рассматривать как разностно-дальномерные системы, по сигналам которых в каждом цикле измерений определяются разности расстояний между судном и двумя последовательными положениями спутника. (Строго говоря, в рамках систем «Цикада» и «Транзит» возможны определения координат места судна и другими методами, например псевдодальномерным, угломерным или комбинированным. Такие метододы требуют пеленгацию ИСЗ)
 
Геодезическая основа. Так как СНС предназначены для навигационного обеспечения всей поверхности Земли и координаты ИСЗ вырабатываются по данным наземных станций слежения, то в качестве исходного используется общий земной эллипсоид. В СНС «Транзит» в качестве опорной принята Мировая геодезическая система 1972 года WGS72. Аппаратура потребителей СНС «Цикада» обеспечивает выработку географических координат в Пулковской системе 1942 г., в которой используется референц-эллипсоид Красовского.
 
Надежность работы СНС характеризуется вероятностью, с которой система выполняет свои функции в течение заданного временного интервала по обеспечению объявленной точности координат и времени во всей зоне обслуживания. Высокая степень надежности достигается не только конструктивными мерами и современными технологическими решениями, но также применением в составе космического сегмента запасных ИСЗ, которые в случае отказа основных спутников могут быть по командам из центра управления оперативно переключены на рабочий режим.
 
Основные характеристики СНС «Цикада» и «Транзит».
Параметр
СНС «Цикада»
СНС «Транзит»
Зона действия
Глобально, без ограничений
До широт 88°
Средняя квадратичная погрешность определения координат объекта, м
100
40 - для двухканальной аппаратуры
100 - для одноканальной аппаратуры
Дополнительная погрешность.
вносимая за счет погрешности в
учете скорости судна в 1 уз., м
 
350
 
Средняя дискретность
определения координат, мин
(для 5 ИСЗ)
110  для широты 0°
90  для широты 30°
60  для широты 60°
Высота орбиты, км
1000
1075
Угол наклонения ИСЗ. град
83
90
Диапазон рабочих частот. МГц
400. 150
399. 968; 149, 988
Модуляция несущей частоты
Фазо-кодовая (только канал 150 МГц)
Фазовая
Геодезическая основа
Эллипсоид Красовского
Эллипсоид WGS72
Шкала времени
Московское поясное время
Гринвичское время
 
Параметры орбит ИСЗ. Пространственное положение ИСЗ как навигационного ориентира должно быть известно на любой фиксированный момент, в который производится измерение навигационных параметров.
 
Исходными данными для определения пространственного положения ИСЗ являются элементы его движения на эллиптической орбите, которая полностью определяется шестью параметрами. В СНС доплеровского типа нашли применение две системы элементов орбиты  классическая (кеплеровская) и каноническая.
 
При прогнозе движения навигационных ИСЗ приходится учитывать факторы, влияющие на изменение параметров орбиты, а именно: несферичность Земли, гравитационные аномалии, воздействия на спутник сопротивления атмосферы, притяжения Луны и Солнца. Даже сравнительно небольшие возмущающие силы на длительном временном интервале вызывают значительные изменения параметров орбит ИСЗ. В задачах прогноза движения навигационных ИСЗ возмущенное движение спутника можно описать совокупностью постоянных на определенных интервалах значений параметров. Совокупность таких параметров называется оскулирующими элементами.
 
Необходимо периодически уточнять значения оскулирующих элементов орбиты, проводя соответствующие измерения текущих параметров. В СНС, использующих передачу навигационных данных в классической форме, учет возмущенного движения ИСЗ осуществляется по данным оскулирующих элементов, параметров, характеризующих прецессию орбиты, и поправок в эксцентрическую ананомалию, большую полуось и поперечное отклонение орбиты.
 
Состав навигационной информации спутников СНС «Транзит». В СНС «Транзит» принята трансляция параметров движения ИСЗ в форме элементов орбит, причем навигационные сообщения содержат две группы данных  постоянные параметры, которые остаются неизменными на интервале между последовательными закладками информации на борт ИСЗ, и переменные, которые учитывают характер изменения элементов орбиты ИСЗ и рассчитаны с дискретностью 2 мин. В системе принята собственная шкала времени, несколько отличающаяся от шкалы всемирного времени UTC: отличие составляет до 200 мкс. Значение системного времени, передаваемого в составе навигационного кадра, закодировано таким образом, что для его восстановления в аппаратуре потребителя требуется обеспечить начальный ввод гринвичского времени с точностью ±15 мин.
 
 Двухминутнын блок информации СНС «Транзит»
Номера слов
Параметры орбиты

...
 
 
 
 
 
45
4
...
 
 
 
 
 
46
5
...
 
 
 
 
 
47
6
...
 
 
 
 
 
48
7
...
 
 
 
 
 
49
8
14
20
26
32
38
44
50
 
 
Переменные поправки параметров
орбиты
 
51
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
...
52
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
...
53
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
...
54
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
...
55
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
...
56
Время первого перигея
62
Среднее движение
68
Аргумент перигея
74
Прецессия перигея
80
Эксцентриситет
86
Большая полуось
92
Долгота восходящего узла
98
Прецессия долготы восходящего узла
104
Косинус угла наклона
110
Прямое восхождение Гринвича
116
Номер ИСЗ
122
Время и дата ввода данных
128
Синус угла наклона
134
Отклонение частоты на борту ИСЗ
140
 
146
 
147
148
149
150
151
152
 
153
154
155
156
А
В С
Синхросигнал
 
Передаваемые данные разделены на 156 слов по 39 бит каждое и одно дополнительное слово номер 157, состоящее из 19 бит.
 
Всего двухминутный блок содержит 6103 бит информации, передача данных с ИСЗ «Транзит» ведется со скоростью 50 бит/c.
 
Слово А содержит 39 бит, причем первые 19 бит образуют слово 157. Слово В содержит также 39 бит, из которых первые 19 бит  часть слова. 1, остальные 20 бит  часть слова 2, слово С содержит 19 бит, составляющих часть слова 2.
 
Для обеспечения режима местоопределения используются слова 8, 14, 20 и далее каждое шестое слово до номера 152 включительно.
 
Слова 1, 2 и 3 используются как сигналы синхронизации. Слово 1 представляет собой последовательность Баркера из 11 элементов и используется как опознавательный код спутника системы «Транзит».
 
Кодовая комбинация слова 1 имеет следующий вид: 11100010010+11100010010+ 000111011014+4 бита телеметрии + 00.
 
Слово 2 имеет следующую кодовую комбинацию: 14 бит телеметрии + 01111+11111+11111+11111 11110.
 
Слово 3 представляет собой сигнал частотой 400 Гц, получаемый путем балансной модуляции несущей. Этот сигнал служит для слухового контроля меток времени в аппаратуре потребителя.
 
Длительность слова 3 такая же, как навигационного слова, и составляет 766, 836 мс. Метка времени, соответствующая началу каждой четной минуты, отражает момент перехода от последнего «нуля» в слове 2 к началу слова 3. Период передачи строки, заключающей одно навигационное слово, составляет 4,601016 с, за исключением последней перед передачей метки времени строки, длительность которой равна 4,974603 с. Длительность одного бита составляет 19,662461 мс. Переменные параметры орбит содержатся в словах с номерами 8, 14, 20, 26, 32, 38, 44 и 50 каждого двухминутного блока информации. 
 
В слове 8 каждого двухминутного блока данных передаются переменные параметры, относящиеся к моменту времени
t= Т-6 мин, (Т- текущий момент), в слове 14 - к моменту t = Т-4 мин, в слове 20 - к моменту t = Т-2 мин, в слове 26 - к текущему моменту Т и т.д. до слова 50, в котором содержатся данные, относящиеся к моменту t = Т + 8 мин. Постоянные параметры содержатся в словах с номерами 56, 62, 68 и т.д. вплоть до номера 134. При приеме последовательности двухминутных кадров обеспечено n-кратное (где п - количество кадров) повторение постоянных параметров.
 
Избыточность передаваемой информации используется для восстановления данных, искаженных помехами или пропущенных в результате кратковременных затенении антенны приемоиндикатора судовыми надстройками Информационные слова содержат 39 разрядов. Первые 36 бит каждого слова служат для передачи информации, а остальные 3 бита, предназначены для обнаружения ошибок методом проверки на четность, для передачи телеметрических данных и коррекции эталонного генератора частоты на спутнике. Если разряд коррекции шкалы времени содержит нуль, значит, цепь делителя частоты опорного генератора спутника не прерывается; при передаче в этом разряде единицы цепь делителя частоты включается так, что обеспечивает пропуск одного импульса, эквивалентного 48 периодам частоты 5 МГц генератора. В этом случае обеспечивается сдвиг временной шкалы в сторону уменьшения времени на 9,6 мкс. Каждый двухминутный кадр содержит 112 бит, несущих информацию о коррекции опорного генератора ИСЗ. Этим достигается возможность управления шкалой времени в пределах 1 мс на двухминутном интервале передачи данных. Практически среднее значение погрешности эталона времени ИСЗ составляет ±30 мкс. Опорный генератор имеет номинальное значение частоты 5 МГц, нестабильность примерно 2х10Е-11 за двухминутный интервал и 1х10Е-11 за сутки.

 
Информация, содержащая параметры орбиты ИСЗ, время и ряд служебных данных, считывается из запоминающего устройства аппаратуры спутника и используется для фазовой манипуляции частот по двум каналам 150 и 400 МГц. Каждая из двоичных посылок характеризуется фиксированными значениями фазы 0°, +60°, -60°, составляя полное изменение фазового угла 120°, причем двоичная единица и нуль содержат одинаковое число переходов фазы.
 
Орбитальные данные со спутника передаются в двоично- десятичном коде BCDX3, применяемом в аэрокосмической технике США. В таблице ниже показано соответствие кода BCDX3 десятичному и двоично-десятичному кодам.  В аппаратуре ИСЗ обеспечивается прием эфемеридных данных, их размещение в массивах запоминающего устройства, формирование навигационного кадра, передача навигационных данных в направлении Земли, контроль работоспособности аппаратуры. Передача осуществляется на несущих частотах 399,968 и 149,988 МГц, мощность излучения 1,5 - 3 Вт. Питание осуществляется от аккумуляторных батарей, подзаряд которых обеспечивается от панелей солнечных элементов.
 
Закон изменения фазы несущего колебания при передаче символов «10»
10-тич-
ный код
2/10-тич-
ный код
Код
ВСВХЗ
10-тич-
ный код
2/10-тич-
ный код
Код ВСВХЗ
0
0000 
0011
5
0101
1000
1
0001
0100
6
0110
1001
2
0010
0101
7
0111
1010
3
0011
0110
8
1000
1011
4
0100
0111
9
1001
1100
 
По мере выхода из строя из-за выработки технического ресурса спутников серии «Оскар», составляющих основу СНС «Транзит», планируется осуществлять запуск модернизированных спутников серии «Нова». В мае 1981 г. первый модернизированный спутник выведен на орбиту и включен в работу (идентификационный номер 30480).
 
На ИСЗ серии «Нова» повышена выходная мощность сигнала до 5 Вт по каналу 400 МГц и до 3 Вт по каналу 150 МГц, установлено устройство компенсации торможения спутника на орбите, изменен принцип формирования шкалы времени. В схему формирования шкалы времени введен программируемый синтезатор, дискретно меняющий частоту опорного генератора по командам из центра управления системой.
 
Введение программируемого синтезатора обеспечивает синхронизацию частоты опорного генератора спутника с погрешностью не хуже 1Е-13 и суточный дрейф до 1Е-13, что дает возможность определения времени по сигналам ИСЗ с точностью до 3 мкс. Применение устройства компенсации торможений спутника на орбите и улучшенной схемы стабилизации ИСЗ в пространстве позволило увеличить срок прогнозирования эфемерид с 12 - 16 ч до 8 сут. с той же точностью. 
 
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТА СУДНА
 
Для определения координат места судна по данным СНС доплеровского типа в судовой приемкой аппаратуре используются три вида данных: орбитальные параметры, характеризующие положение ИСЗ в пространстве; навигационные параметры, измеренные относительно ИСЗ; счислимые координаты места судна, текущие значения курса и скорости судна.
 
Орбитальные параметры, получаемые по сигналам спутников, позволяют определить точное положение ИСЗ в пространстве как навигационного ориентира на фиксированные моменты времени. В качестве навигационного параметра при определении координат места судна используются измерения числа импульсов биений N доплеровской частоты на фиксированном интервале времени.
 
Счислимые координаты места судна вырабатываются по данным курса и скорости судна, непрерывно поступающим от гирокомпаса и лага. Начальные значения координат, а также начальный отсчет времени вводятся в аппаратуру вручную. В судовой приемной аппаратуре, разработанной в последние годы, получил распространение интегральный доплеровский метод определения координат. В геометрическом смысле этот метод эквивалентен разностно-дальномерному методу, который используется в наземных радионавигационных системах.
 
Крутизна кривой, отражающей изменение доплеровской частоты, зависит от параметров орбиты ИСЗ и взаимного положения судна и спутника.
 
Максимальный интервал радиовидимости ИСЗ систем доплеровского типа составляет ~18 минут. Можно принять допущение о постоянстве в этом интервале частоты сигнала на ИСЗ и частоты опорного генератора в приемной аппаратуре потребителя. Постоянной в интервале навигационного сеанса можно принять и неизвестную составляющую сдвига частот, обусловленную отклонением опорных генераторов от номинальных значений
 
Каждой измеренной величине за один цикл измерений в пространстве соответствует поверхность положения - гиперболоид вращения. Пересечение гиперболоидов вращения с поверхностью Земли определяет область нахождения объекта. В судовой навигационной аппаратуре обработка всей совокупности измерений, орбитальных данных и параметров движения судна -к урса и скорости выполняется методом наименьших квадратов, неоднозначность решения навигационной задачи устраняется с использованием априорных данных - счислимых координат места судна.
 
 
 
 
 
<<< Еще более подробно -тут!