Санкт-Петербург Средний пр. В.О., д. 86
ПОРТАЛ ЗНАНИЙ
СОВРЕМЕННОЙ АВИОНИКИ
42 ТЕРМИНОВ ПО ТЕМАТИКЕ АВИАСИСТЕМ

GNSS Global Navigation Satellite System Глобальная спутниковая навигационная система

Определение

Приемники глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), использующие системы GPS, ГЛОНАСС, Галилео или Бэйдоу, есть во многих приложениях. Первые системы были разработаны в 20-м веке, главным образом, чтобы помочь военным ориентироваться, но информация о местоположении вскоре нашла гражданское применение.

Спутниковая навигация или спутниковая навигационная система — это система, которая использует спутники для обеспечения автономного геопространственного позиционирования. Он позволяет небольшим электронным приемникам определять свое местоположение (долготу, широту и высоту) с высокой точностью (в пределах от нескольких сантиметров до нескольких метров), используя временные сигналы, передаваемые радиосигналом с видимых спутников. Система определяет местоположение, используется в навигации или для отслеживания чего-либо, оснащенного приемником (спутниковый трекинг). Благодаря сигналу электронный приемник вычисляет текущее местное время с высокой точностью, что позволяет синхронизировать время. Эти виды использования называются: позиционированием, навигацией и синхронизацией (PNT). Системы спутниковой навигации работают независимо от любого телефонного или интернет-приема, хотя эти технологии увеличиивают пользу информации о местоположении.

Спутниковую навигационную систему с глобальным охватом можно назвать глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS). По состоянию на октябрь 2018 года, глобальная система позиционирования США (GPS) и глобальная навигационная спутниковая система России (ГЛОНАСС) полностью функционирюще GNSS, а китайская навигационная спутниковая система BeiDou (BDS) и Европейская Galileo будут спользоваться полностью к 2020 году. Японская квази-зенитная спутниковая система (QZSS) представляет собой спутниковую систему усиления GPS для повышения точности GPS, причем появление спутниковой навигации, независимой от GPS, запланирована на 2023 год. У Индии своя региональная навигационная спутниковая система (IRNSS), также известная как навигация с индийским созвездием спутников (NAVIC), автономная региональная спутниковая навигационная система с точным позиционированием и синхронизацией в реальном времени. Планируется расширения до глобальной версии в долгосрочной перспективе.

Глобальный охват каждой системы, как правило, обеспечивается спутниковой группой из 18-30 спутников средней околоземной орбиты (MEO), расположенных между несколькими орбитальными плоскостями. Cистемы отличаются, но все используют наклоны орбит >50° и орбитальные периоды примерно в двенадцать часов (на высоте около 20 000 километров или 12 000 миль).



История и теория

Наземная радионавигация используется давно. Системы DECCA, LORAN, GEE и Omega использовали наземные длинноволновые радиопередатчики, которые передавали радиоимпульс из известного «ведущего» местоположения, за которым следовал импульс, повторенный с нескольких «ведомых» станций. Задержка между приемом основного и зависимого сигналов позволяла приемнику вычислять расстояние до каждого из зависимых сигналов.

Первой спутниковой навигационной системой был Transit, система, развернутая американскими военными в 1960-х гг. Transit была основана на эффекте Доплера: спутники перемещались по известным траекториям и передавали свои сигналы на известной радиочастоте. Принимаемая частота незначительно отличается от частоты вещания из-за движения спутника относительно приемника. Отслеживая этот сдвиг частоты в течение короткого промежутка времени, приемник может определить свое местоположение в той или иной стороне от спутника, и несколько таких измерений в сочетании с точным знанием орбиты спутника могут зафиксировать определенное положение. В этом случае могут появляться ошибки. Ошибки орбитального положения спутников вызваны, в частности, изменениями гравитационного поля и рефракцией радара. Но группа ученых во главе с Гарольдом Лансом из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде решила эту проблему в 1970-1973 годах. Используя ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, систематические и остаточные ошибки были сведены к управляемому уровню для обеспечения точной навигации.

Часть вещания орбитального спутника включала точные орбитальные данные. В целях обеспечения точности, военно-морская обсерватория США (USNO) непрерывно наблюдала за точными орбитами этих спутников. Поскольку орбита спутника отклонялась, USNO отправлял обновленную информацию на спутник. Последующие радиопередачи с обновленного спутника содержат его самые последние эфемериды.

Современные системы более прямолинейны. Спутник передает сигнал, содержащий орбитальные данные (по которым можно вычислить положение спутника) и точное время передачи сигнала. Орбитальные данные содержат приблизительный перечень всех спутников, чтобы помочь в их поиске, и точную эфемериду для одного конкретного спутника. Орбитальная эфемерида передается в виде кода с информацией о времени. Спутник использует атомные часы для поддержания синхронизации всех спутников в созвездии. Приемник сравнивает время вещания, закодированное в передаче трех или четырех различных спутников, тем самым измеряя время полета до каждого спутника. Несколько таких измерений могут выполняться одновременно на разных спутниках, что позволяет получать непрерывную фиксацию в реальном времени с использованием адаптированной версии трилатерации.

Каждое измерение расстояния, независимо от используемой системы, помещает приемник на сферическую оболочку на измеренном расстоянии от передатчика. После нескольких измерений находится точка их пересечения и местоположение корректируется. Однако в случае быстродвижущихся приемников положение сигнала изменяется по мере поступления сигналов от нескольких спутников. Кроме того, радиосигналы немного замедляются в ионосфере, и это замедление изменяется с углом приемника к спутнику. Таким образом, вычисления ищут кратчайшую направленную линию, касательную к четырем сплющенным сферическим оболочкам, центрированным на четырех спутниках. Приемники спутниковой навигации редко ошибаются. Они используют комбинации сигналов от нескольких спутников и нескольких корреляторов, добавляют такие методы, как фильтрация Калмана, чтобы объединить зашумленные, частичные и постоянно меняющиеся данные в единую оценку положения, времени и скорости.



Классификация

Системы GNSS, обеспечивающие повышенную точность мониторинга в гражданской навигации делятся на:

  • GNSS-1 — система первого поколения и представляет собой комбинацию существующих спутниковых навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) со спутниковыми системами усиления (SBAS) или наземными системами усиления (GBAS). В Соединенных Штатах система называется WAAS, в Европе EGNOS, а в Японии — MSAS.

  • GNSS-2 — второе поколение систем, которые самостоятельно обеспечивают полноценную гражданскую спутниковую навигационную систему, например европейская система позиционирования Galileo. Эти системы обеспечат необходимую для гражданской навигации точность мониторинга, в том числе и для воздушных судов. Первоначально эта система состояла только из верхних частот L-диапазона (L1 для GPS, E1 для Galileo, G1 для ГЛОНАСС). В последние годы системы GNSS начали активацию нижних частот L-диапазона (L2 и L5 для GPS, E5a и E5b для Galileo, G3 для ГЛОНАСС) для гражданского использования. Они отличаются более высокой точностью и меньшим количеством проблем с отражением сигнала. 


По состоянию на конец 2018 года продается несколько устройств GNSS потребительского класса, которые используют оба диапозона чистот, они называются "двухдиапазонными GNSS" или "двухдиапазонными GPS" устройствами.


По роли в системе навигации системы можно классифицировать как:

  1. Основные спутниковые навигационные системы, в настоящее время GPS (США), ГЛОНАСС (Российская Федерация), Galileo (Европейский Союз) и Beidou (Китай).

  2. Глобальные спутниковых систем функционального дополнения (SBAS), таких как Omnistar и StarFire.

  3. Региональные SBAS, включая WAAS (США), EGNOS (ЕС), MSAS (Япония) и GAGAN (Индия).

  4. Региональные спутниковые навигационные системы, такие как индийская NAVIC и японская QZSS.

  5. Системы наземного усиления континентального масштаба (GBAS), например, австралийская GRAS и система объединенных: береговой охраны США, канадской береговой охраны, Инженерного корпуса армии США и Министерства транспорта США — Национальная дифференциальной служба GPS (DGPS).

  6. GBA регионального масштаба, такие как CORS networks.

  7. Местные станции, с одной базовой GPS станцией, работающей в режиме кинематики реального времени (RTK).


Поскольку многие глобальные системы GNSS (и системы усиления) используют аналогичные частоты и сигналы около L1, было создано много «multi-GNSS» приемников, способных использовать несколько систем.



to top