Принципы и компоненты глобальных навигационных спутниковых систем
Глобальная навигационная спутниковая система (Global Navigation Satellite System, GNSS) — это система определения местоположения, способная обеспечивать судам глобальные, круглосуточные, высокоточные и непрерывные услуги по определению местоположения и навигации в трёх измерениях. Судовой GPS-навигатор является незаменимым оборудованием для современных судов при плавании в открытом море и имеет огромное значение для обеспечения безопасности их плавания. Поэтому обеспечение нормальной работы судовых GPS-навигаторов на судах мощностью 750 кВт и выше входит в круг обязанностей судового электротехника. Данный проект основан на проектном обучении с использованием реального судового GPS-навигатора и направлен на то, чтобы посредством теоретического изучения и практических занятий студенты могли в будущем самостоятельно выполнять работы по техническому обслуживанию и ремонту судовых GPS-навигаторов на своих рабочих местах. GPS-навигатор модели FURUNO GP-170 широко применяется на судах, поэтому в данном разделе в качестве примера будет рассмотрено именно это устройство.
I. Обзор глобальных навигационных спутниковых систем
К глобальным навигационным спутниковым системам относятся, в частности, американская система глобального позиционирования (Global Positioning System, GPS), китайскую спутниковую навигационную систему «Бэйду» (BeiDou Navigation Satellite System, BDS), российскую глобальную навигационную спутниковую систему «ГЛОНАСС» (Global Navigation Satellite System, GLONASS) и европейскую навигационную спутниковую систему «Галилео» (Galileo Navigation Satellite System, Galileo).
GPS — это аббревиатура от Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System (сокращённо NAVSTAR/GPS), что означает «Система навигационных спутников для измерения времени и расстояний/Глобальная система позиционирования». США начали исследования в области спутниковой навигационной системы GPS в конце 1973 года, в конце 1993 года было в основном завершено развертывание спутников, а в конце 1995 года система была полностью введена в эксплуатацию.
Система GPS обеспечивает круглосуточные, высокоточные, непрерывные и практически в режиме реального времени услуги трехмерного позиционирования и навигации по всему миру. При этом код P, предназначенный в основном для военных и пользователей высокого уровня, обеспечивает точность позиционирования до 1 м; а код CA, предназначенный в основном для гражданского использования, — точность позиционирования 20–30 м.
II. Состав глобальной навигационной спутниковой системы
Глобальная навигационная спутниковая система состоит из трёх компонентов: навигационных спутников, наземных станций и пользовательского оборудования. Навигационные спутники отвечают за передачу навигационных сигналов, наземные станции осуществляют слежение за спутниками и управление ими, а также передают им навигационную информацию, а навигационные приёмники, установленные на транспортных средствах пользователей, принимают спутниковые сигналы для обеспечения функций определения местоположения и навигации.
GPS-спутникиПроект «Констелляция» состоит из 24 спутников, включая 21 рабочий спутник и 3 резервных, равномерно распределенных по 6 орбитам. Позже были последовательно запущены спутники серий BLOCKI, II, IIA и IIR.
Наземная станция GPSСистема состоит из трёх частей: главной станции управления, станции слежения и станции загрузки. Главная станция управления отвечает за управление всей спутниковой системой, оценку навигационных характеристик и формирование таблиц спутниковых эфемерид, а затем передаёт навигационную информацию в закодированном виде на станцию загрузки. Станция загрузки, действуя под управлением главной станции управления, один-два раза в день загружает навигационную информацию на спутники.
Пользовательское оборудованиеТо есть GPS-навигатор, состоящий из аппаратного обеспечения, встроенного программного обеспечения и пакета программ для постобработки данных GPS. Аппаратное обеспечение приемника состоит из трёх частей: антенного блока, основного блока и источника питания. Антенна устанавливается снаружи и подключается к основному блоку с помощью кабеля. Основной блок состоит из частотного преобразователя, сигнального канала, микропроцессора, модуля дисплея и т. д. В настоящее время в морской навигации наиболее широко используются навигаторы с корреляцией кода CA.
III. Принципы определения местоположения и погрешности
(1) Принцип позиционирования
GPS — это система спутниковой сферической дальнометрии и определения местоположения. Пользователь, измерив задержку распространения сигнала спутника до себя, определяет время распространения радиоволн в космосе. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн в космосе известна, на этой основе можно рассчитать расстояние от пользователя до спутника. При конкретной локализации пользователю достаточно измерить расстояния до трёх спутников, чтобы получить три сферические поверхности, центром которых являются спутники, а радиусом — расстояния от спутников до пользователя; точка пересечения этих поверхностей и является трёхмерным пространственным положением пользователя.
Для определения местоположения пользователя необходимо точно знать местоположение спутника на момент передачи сигнала. Пользователь определяет местоположение спутника на основе эфемерид, содержащихся в сообщениях, передаваемых спутниками GPS.
(2) Погрешность позиционирования
На расстояние, измеренное пользователем с помощью спутникового навигатора, влияют следующие два фактора:
1. Расхождение между часами спутника и часами пользователя
Как упоминалось выше, измерение расстояния по сути представляет собой измерение задержки (времени распространения радиоволн), поэтому наличие единого и точного эталона времени имеет решающее значение для точности измерений. Все спутники GPS оснащены высокоточными атомными часами с точностью до (0,1–10) × 10⁻¹³/с, однако погрешность накапливается с течением времени и отражается на погрешности измерений пользователя. С другой стороны, у обычных пользователей, как правило, нет точных часов, поэтому измеренная ими задержка будет содержать значительную погрешность, связанную с погрешностью пользовательских часов.
2. Задержка распространения сигнала
В процессе распространения к пользователю спутниковый сигнал подвергается преломлению в ионосфере и тропосфере, что приводит к изменению скорости и траектории распространения сигнала, в результате чего возникает задержка в распространении сигнала; эта задержка также приводит к погрешностям при измерении времени пользователем.
С учетом всех вышеперечисленных факторов расстояние, измеренное пользователем с помощью GPS-навигатора, не является фактическим расстоянием от пользователя до спутника, поэтому оно называетсяПсевдорасстояние, процесс измерения псевдорасстояния называетсяПсевдодальномер。
3. Методы устранения погрешностей позиционирования
Для определения фактического расстояния от спутника до пользователя в системе GPS используется следующий метод:
① Спутники GPS предоставляют параметры корректировки отклонения спутниковых часов в спутниковых сообщениях, направляемых пользователям.
② Спутники GPS корректируют погрешности рефракции в ионосфере путем передачи двухчастотных сигналов (1575,42 МГц и 1227,60 МГц). Кроме того, спутники GPS предоставляют в своих сообщениях параметры атмосферной коррекции, с помощью которых пользователи, используя корректирующие модели, корректируют погрешности рефракции в тропосфере и, таким образом, вычисляют задержку распространения сигнала.
③ Погрешность часов пользователя принимается в качестве неизвестной величины и решается в уравнении наблюдения. Таким образом, при определении трехмерного местоположения пользователю необходимо решить уравнение с четырьмя неизвестными, а именно:Необходимо принимать сигналы как минимум от 4 спутников; при двумерной локализации,Необходимо принимать сигналы как минимум от 3 спутников。
IV. GPS-навигатор
В настоящее время в морском судоходстве наиболее широко используются навигаторы, работающие по принципу корреляции CA-кода. Спутниковый навигатор GPS состоит из аппаратного обеспечения, встроенного программного обеспечения и пакета программ для постобработки данных GPS. Аппаратное обеспечение спутникового навигатора включает в себя три компонента: антенну, основной блок и источник питания. Антенна устанавливается снаружи и подключается к основному блоку с помощью кабеля. Основной блок состоит из преобразователя частоты, промежуточного усилителя, сигнального канала, микропроцессора и модуля дисплея, как показано на рисунке 2-1-1.
Рис. 2-1-1. Схема устройства GPS-навигатора
GPS-навигатор принимает слабые сигналы спутников через GPS-антенну, которые после усиления в предварительном усилителе (для улучшения отношения сигнал/шум) поступают в преобразователь частоты, где радиочастотный (RF) сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты (IF). Сигнал промежуточной частоты после усиления поступает в фазовую петлю псевдокода и фазовую петлю несущей, где осуществляется двумерный поиск псевдокода и частоты (несущей). При этом фазовая петля псевдокода служит для синхронизации псевдокода приемника по времени с принимаемым псевдокодом, что обеспечивает автоматический захват и отслеживание спутникового кода; контур фазовой синхронизации несущей используется для согласования собственной несущей по частоте и фазе с принимаемой несущей, что обеспечивает автоматический захват и отслеживание спутниковой несущей.
Псевдокод сигнала GPS и собственный псевдокод устройства сравниваются в корреляторе; при их совпадении выводится максимальное значение, что указывает на обнаружение коррелятором модулированного несущего сигнала данных GPS. После смешивания этого сигнала с собственной несущей частотой устройства происходит обнаружение сигнала кода данных GPS. Сигнал кода данных GPS после синхронизации, детектирования и фильтрации данных позволяет выделить сообщение спутника GPS. Разница между несущей отслеживания и опорной генераторной волной прибора представляет собой доплеровский сдвиг частоты; сравнение псевдокода отслеживания с опорным псевдокодом прибора позволяет измерить задержку распространения сигнала и, следовательно, рассчитать псевдорасстояние.
МикропроцессорЭто ключевой компонент GPS-навигатора; прием и обработка сигналов в навигаторе осуществляются под управлением микропроцессора. К его основным функциям относятся: самодиагностика при включении, выбор спутников, сбор спутниковых данных, корректировка погрешностей распространения сигнала в атмосфере, измерение псевдорасстояния и доплеровской частоты, а также расчет местоположения, скорости и навигационной информации пользователя и т. д.
GPS-навигаторы обычно оснащены жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображается рабочая информация, а также клавиатурой, с помощью которой пользователь может управлять работой устройства. Некоторые навигаторы также оснащены большим дисплеем, на котором непосредственно отображаются навигационная информация и цифровые карты.
Существует два типа источников питания для GPS-навигаторов:Один из них — внутренний источник питания, обычно в виде литиевой батареи, который используется для питания оперативной памяти (RAM) и предотвращения потери данных после выключения устройства; другой — внешний источник питания, обычно в виде перезаряжаемой 12-вольтовой кадмиево-никелевой батареи; при использовании питания от сети переменного тока требуется стабилизатор напряжения или специальный преобразователь питания.
V. Спутниковая навигационная система «Бэйду»
Спутниковая навигационная система «Бэйду» — это разработанная в Китае глобальная спутниковая навигационная система, а также третья по счету зрелая спутниковая навигационная система после GPS и ГЛОНАСС.
(1) Состав системы
Спутниковая навигационная система «Бэйду» состоит из трёх основных компонентов: космической группировки, наземной системы управления и пользовательских терминалов. Её космическая группировка имеет смешанную орбитальную конструкцию, включающую спутники на геостационарной орбите (GEO), наклоненной геосинхронной орбите (IGSO) и средней круговой орбите (MEO), что позволяет создать навигационную сеть с глобальным покрытием. В системе «Бэйду-3» развернуто 30 спутников, в том числе 5 спутников GEO (3 рабочих и 2 резервных), что позволяет повысить стабильность обслуживания в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
Наземная система управления состоит из главной станции управления, станции мониторинга и станции введения сигнала и отвечает в основном за мониторинг состояния спутников, корректировку орбиты, а также усиление навигационных сигналов. Пользовательские терминалы включают оборудование двойного назначения — как военного, так и гражданского, — например, судовые терминалы BDMSS, портативные устройства и т. п., которые сочетают в себе функции навигации и позиционирования, а также обмена короткими сообщениями.
(2) Принцип позиционирования
Система BDS сочетает в себе технологии активного и пассивного определения местоположения.Пассивная локализацияЭто основной режим определения местоположения системы «Бэйду-3»: пользовательское устройство принимает сигналы, исходящие как минимум от 4 спутников, и на основе разницы во времени прохождения сигналов вычисляет трехмерные координаты, при этом точность определения местоположения достигает метрового уровня.Активное определение местоположенияВ этом случае терминал должен самостоятельно посылать запрос на спутник, что подходит для экстренного определения местоположения в зоне покрытия наземной станции. Система «Бэйду-3» оптимизирует эффективность передачи сигнала с помощью технологии межспутниковых каналов связи, что позволяет ещё больше повысить скорость и точность определения местоположения.
(3) Основные функции и особенности
Система BDS предоставляет услуги навигации и определения местоположения в режиме реального времени по всему миру. Точность определения местоположения в гражданском секторе превышает 10 м, в Азиатско-Тихоокеанском регионе она достигает 2–5 м, а услуги военного уровня позволяют определять местоположение с точностью до сантиметра. Уникальная технология BDSФункция обмена короткими сообщениямиДелятся на две категории: региональные и глобальные. Региональная система коротких сообщений опирается на группу спутников GEO и охватывает Азиатско-Тихоокеанский регион (10° с. ш. – 55° с. ш., 75° в. д. – 135° в. д.), поддерживая три режима: точечную передачу (передача на один адрес), многоадресную передачу (групповая связь) и широковещательную передачу (рассылка региональных сообщений). Новая функция глобальной короткосообщительной связи, добавленная в «Бэйду-3», преодолевает географические ограничения и обеспечивает глобальную связь в чрезвычайных ситуациях. Кроме того, система использует многодиапазонную конструкцию сигналов (B1, B2, B3), что значительно повышает её устойчивость к помехам и надёжность в сложных условиях.
(4) Судовой терминал BDMSS и приложение для обмена короткими сообщениями в регионе
Судовой терминал BDMSS является важным устройством для применения системы BDS в морской сфере и в основном состоит из блока навигации и позиционирования, блока управления связью и модуля адаптации к условиям окружающей среды. Блок навигации и позиционирования использует технологию приёма многодиапазонных сигналов, обеспечивая точность позиционирования в метрах; блок управления связью интегрирует специальный протокол связи «Бэйду», поддерживающий зашифрованную передачу коротких сообщений. Данный терминал имеет конструкцию, устойчивую к коррозии под воздействием солевого тумана, и систему питания с широким диапазоном напряжения, соответствует международным стандартам для морского оборудования и способен адаптироваться к сложным условиям эксплуатации на судах.
Услуга региональной короткосообщительной связи системы «Бэйду-3» обеспечивается тремя действующими спутниками на геостационарной орбите и двумя резервными спутниками, покрывая Азиатско-Тихоокеанский регион в пределах 75°–135° восточной долготы и 10°–55° северной широты. Данная услуга предоставляет три режима связи: «по запросу» (направленная передача), «многоадресная» (групповая координация) и «широковещательная» (распространение общественной информации), которые широко применяются в таких сферах, как диспетчеризация судов, спасательные операции на море и метеорологическое раннее предупреждение. Однако из-за ограничений, связанных с радиусом действия лучей спутников на геостационарной орбите, услуга коротких сообщений имеет географические ограничения и ограничения по пропускной способности (Объем одной передачи не должен превышать 1000 иероглифов), при плавании в открытом море для обеспечения полного покрытия необходимо использовать в сочетании с другими системами связи.
Сравнение технологий систем GNSS и перечень практических действий
GPS против Beidou-3 (BDS-3) | Стандарты ежедневного технического обслуживания судовых навигаторов
I. Сравнение технических характеристик GPS и «Бэйду-3» (BDS-3)
| Параметры | Американская система GPS | Китайская система «Бэйду-3» (BDS) |
|---|---|---|
| Спутниковая группировка | 24 штуки (6 плоскостей орбиты MEO) | 30 спутников (смешанные орбиты MEO + IGSO + GEO) |
| Режим позиционирования | Чисто пассивная локализация | Активное определение местоположения + пассивное определение местоположения (двухрежимный режим) |
| Гражданская точность | 10–30 метров | Во всем мире < 10 метров (в Азиатско-Тихоокеанском регионе 2–5 метров) |
| Особенности | Развитая глобальная сеть | Обмен короткими сообщениями (до 1000 иероглифов в одном сообщении) |
| Частотное распределение | L1, L2, L5 | B1, B2, B3 |
II. Перечень операций по техническому обслуживанию навигатора FURUNO GP-170
- 1. Визуальный осмотр антенны: Ежемесячно проверяйте, нет ли трещин на кожухе наружной антенны и не покрыт ли он кристаллами морской соли (это может привести к ослаблению сигнала).
- 2. Проверка соединений фидерных линий: Проверьте, не ослаблены ли разъемы TNC/BNC и нет ли на них коррозии, а также не слишком ли мал радиус изгиба фидерного кабеля.
- 3. Проверка видимости спутников: Проверьте на экране [Satellite Status] HDOP (коэффициент горизонтальной точности) < 4,0, количество захваченных спутников > 4.
- 4. Уход за встроенной батареей: Когда при включении появляется сообщение “Battery Low” или отображается [Self-test] NG В этом случае необходимо заменить литиевую батарею напряжением 3 В, установленную внутри устройства.
- 5. Проверка настроек: Подтверждение Геодезическая система координат (Система координат «Земля») Установить значение WGS-84 (Международный стандарт).
III. Красные линии при отправке коротких сообщений (Message) в системе «Бэйду»
(1) Ограничения по объёму: Объем регионального короткого сообщения не должен превышать 1000 иероглифов; при превышении этого лимита система автоматически разделит сообщение на части или отправка не удастся.
(2) Временной интервал: Частота отправки обычных гражданских карт, как правило, ограничивается Каждую минуту/раз, строго запрещается часто повторно публиковать сообщения, что может привести к блокировке темы.
(3) Географические ограничения: После выхода за пределы зоны покрытия Азиатско-Тихоокеанского региона (75°–135° в. д.) сигнал спутника GEO ослабевает, поэтому необходимо переключиться в режим глобальной службы коротких сообщений.
