Общая характеристика космических навигационных систем

Спутниковые навигационные системы обладают рядом достоинств, ставящих их на одно из первых мест среди других средств коррекции:

- Глобальность. Система охватывает всю поверхность нашей планеты, позволяя производить определение места в любой точке Мирового океана, вне зависимости от расстояния до берега.

- Высокая точность определения места в единой общеземной системе координат. При этом потребители, не нуждающиеся в высокой точности, могут пользоваться СНС, применяя более простую аппаратуру или упрощенные методы решения навигационной задачи. Благодаря возможности работы в единой общеземной системе координат являются основой для реализации так называемых дифференциальных методов использования других средств коррекции, позволяют получать фактические значения поправок к отсчетам по другим системам и использовать их до проведения следующей обсервации.

- Независимость от гидрометеорологических условий, времени суток и сезона года, в отличие от других радионавигационных систем.

- Обеспечение высокой точности навигационных определений независимо от положения корабля в рабочей зоне.

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) отличаются рядом особенностей, выделяющих их в самостоятельный класс средств обсервации. К этим особенностям относятся:

— навигационные определения производятся радиотехническими методами по радиосигналам, изучаемым быстродвижущимися космическими аппаратами;

— нормальное функционирование системы обеспечивается специальным центром управления, который контролирует работу навигационных спутников, корректирует их движение и уточняет программу передачи навигационной информации.

Фактически СРНС в этом случае представляет собой радионавигационную систему, но только опорные передающие станции не закреплены неподвижно на Земле, а перемещаются в космическом пространстве.

Принцип построения и работы КНС

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) отличаются рядом особенностей, выделяющих их в самостоятельный класс средств обсервации. К этим особенностям относятся:

— навигационные определения производятся радиотехническими методами по радиосигналам, изучаемым быстродвижущимися космическими аппаратами;

— нормальное функционирование системы обеспечивается специальным центром управления, который контролирует работу навигационных спутников, корректирует их движение и уточняет программу передачи навигационной информации.

Фактически СРНС в этом случае представляет собой радионавигационную систему, но только опорные передающие станции не закреплены неподвижно на Земле, а перемещаются в космическом пространстве.

Этот факт вынудил усложнить структуру как самой системы, так и передаваемого с НИСЗ сигнала по сравнению с РНС с наземными станциями. Спутниковая навигационная система (СНС) представляет собой сложный комплекс функционально связанных технических подсистем. В ее состав входят: подсистема космических аппаратов (навигационных искусственных спутников Земли), подсистема контроля и управления (ракетный комплекс, командно-измерительный комплекс и др.), подсистема аппаратуры потребителей.

В настоящее время в СРНС входят:

наземный комплекс управления (НКУ);

космодром;

орбитальная группировка космических аппаратов;

среда распространения радиосигналов;

аппаратура потребителя (АП).

НКУ содержит следующие взаимосвязанные стационарные элементы: центр управления системой (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); командную станцию слежения (КСС); контрольные станции (КС); систему контроля фаз (СКФ); квантово-оптические станции (КОС); аппаратуру контроля поля (АКП).

НКУ выполняет следующие функции:

• проведение траекторных измерений для определения, прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех НКА с системной шкалой времени системы, синхронизация БШВ каждого НКА с временной шкалой ЦС и службы единого времени (СЕВ) путем фазирования и коррекции БШВ;

• формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к БШВ каждого НКА и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;

• передача (закладка) массива служебной информации в память бортовой ЭВМ каждого НКА и контроль за его прохождением;

• контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем НКА и диагностика их состояния;

• контроль информации в навигационных сообщениях НКА, прием сигнала вызова НКУ;

• управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи команд управления и контроля их прохождения на борт;

• контроль характеристик навигационного поля;

• определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала НКА по отношению к фазе сигнала ЦС;

• планирование работы всех технических средств НКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами НКУ.

НИСЗ непрерывно передает параметры своего движения (так называемая эфемеридная информация).

Радиосигналы, принимаемые на объекте, позволяют определить дальность до ИСЗ, разность дальностей до двух ИСЗ, радиальную скорость спутника, его угловые координаты и другие навигационные параметры.

Принципиальной основой использования ИСЗ для целей навигации является закономерный характер его движения относительно Земли. Это дает возможность прогнозировать координаты спутника и иметь о них информацию с определенной точностью на любой момент времени.

Для разделения сигналов от различных НС используется частотная селекция.

Как указывалось выше, в настоящее время в морской навигации находят применение дальномерный, разностно-дальномерный и радиально-скоростной методы.

Дальномерный метод используется в системах 2-го поколения ГЛОНАСС и GPS.

Разностно-дальномерный и радиально-скоростной методы используются в системах 1-го поколения, однако в существующей аппаратуре СРНС последний метод практически не используется, хотя по точности он не уступает разностно-дальномерному.

Закономерности траекторного движения навигационных спутников

Рисунок 3 Элементы эллиптической орбиты

Основные кинематические особенности движения планет в Солнечной

системе (околоземных НС) были впервые определены Кеплером (1571–1630 г.г.), а затем получили динамическое обоснование Ньютоном (1643-1727 г.г.) на основе законов механики и всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения: Две материальные частицы взаимно притягиваются с силой F прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

, (1.4)

где к=6,67210-11 м3/кгс2 – универсальная гравитационная постоянная;

М=5,9742421024 кг – масса Земли;

=кМ=3,98600441014 м3/с2 – геоцентрическая гравитационная постоянная.

Траектория полета НС называется орбитой (рисунок 3).

Под невозмущенным (кеплеровым) движением спутника понимают его движение под действием силы притяжения Земли (шара), т.е. одного притягивающего центра. Сила притяжения направлена к центру Земли.

Законы Кеплера:

1_й закон Кеплера: орбита НС представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля. Радиус-вектор точки эллипса выражается формулой:

, (1.5)

где p=b2/a – фокальный параметр;

a – малая полуось орбиты;

b – большая полуось орбиты;

- истинная аномалия (угол между направлением на перигей и на спутник;

- эксцентриситет.

Если е=0, то орбита представляет собой окружность;

при 0е1, - эллипс;

при е=1 – парабола;

при е1 – гипербола.

2_й закон Кеплера: Площади, описываемые радиус-вектором НС в равные промежутки времени равны.

. (1.6)

3 закон Кеплера: квадраты звездных периодов обращения относятся как кубы больших полуосей.

Движение НС происходит по законам небесной механики под действием инерции и сил притяжения Земли. Для описания такого движения используется геоцентрическая инерциальная система координат OX0Y0Z0. Начало координат расположено в центре масс Земли. Ось OX0 – в плоскости экватора и направлена в точку Овна γ. Ось OZ0 направлена вдоль оси вращения Земли в сторону северного полюса. Ось OY0 дополняет прямоугольную систему координат до правой. В СНС используется также геоцентрическая подвижная система координат OXYZ. Ось OX связана с Гринвичским меридианом. Угол ψГ между осями OX и OX0 соответствует гринвичскому звёздному времени SГ.

В соответствии со вторым законом Ньютона движение центра масс спутника в инерциальной системе координат OX0Y0Z0 описывается уравнением:

, (1.7)

где m – масса спутника;

– вектор центростремительного ускорения;

– вектор силы притяжения Земли.

В соответствии с первым законом Кеплера любая орбита спутника, движущегося в центральном поле тяготения, лежит в неподвижной относительно инерциальной системы координат плоскости (орбитальной плоскости), проходящей через центр тяготения, и представляет кривую второго порядка, в одном из фокусов которой находится центр притяжения (Земля).

Эллиптическая орбита невозмущенного движения полностью характеризуется 6 элементами: a, e, i, , , . Элементы a,e определяют форму орбиты: a – большая полуось, e – эксцентриситет. Наклонение i и долгота восходящего узла определяют ориентацию плоскости орбиты в пространстве. Наклонение i – угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора.

Если i=900, то орбита будет полярная;

при i=00 – экваториальная;

при 00i900 – наклонная прямая;

при 900i1800 – наклонная обратная.

Линию пересечения плоскости орбиты с плоскостью земного экватора называют линией узлов. Причем точка, в которой орбита пересекает плоскость экватора, при перемещении спутника из южного полушария в северное, называется восходящим узлом, а противоположная нисходящим узлом. Угол отсчитывается в экваториальной плоскости от оси OX до линии узлов.

Прямую линию, проходящую через фокусы эллипса, называют линией апсид. Точки пересечения этой линии с эллипсом называют апсидами. Ближайшую к Земле точку называют перигеем, а наиболее удалённую апогеем. Ориентация орбиты в орбитальной плоскости определяется аргументом перигея – углом между направлением на восходящий узел и перигей.

Параметры орбиты a, e, i, , для невозмущённого движения постоянны и не меняются. Положение спутника на орбите в каждый фиксированный момент времени tk определяет параметр - истинная аномалия (угол между направлением на перигей и на спутник). Применяется также параметр u – аргумент широты (угол между направлением на восходящий узел и на спутник): u=+.

Если обозначить время прохождения спутником перигея t=, то положение спутника на орбите в произвольный момент времени t можно определить с помощью уравнения Кеплера:

, (1.8)

где E – эксцентрическая аномалия спутника, определяемая следующей формулой:

. (1.9)

Уравнения движения спутника в геоцентрической прямоугольной системе координат OX0Y0Z0 описывается системой:

x0 = r(cosu cos sinu sin cosi)

y0 = r(cosu sin + sinu cos cosi) (1.10)

z0 = r sinu sini,

где;

p – фокальный параметр.

Для движения спутника по круговой орбите высотой HA относительно Земли необходимо, чтобы начальная скорость соответствовала круговой скорости на этой высоте и была направлена перпендикулярно вектору r. Для СРНС «Цикада» Vкр = 7,35км/с, для СРНС ГЛОНАСС, GPS - Vкр = 3,95км/с.

Сидерическим периодом обращения НС называется интервал между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты. Синодический период обращения НС – интервал времени между двумя последовательными прохождениями одного и того же меридиана.

В зависимости от периода обращения, НС подразделяют на суточные при T = TЗ (звёздные сутки) и на синхронные – при периоде T, кратном звёздным суткам. В свою очередь, суточные НС с наклонением орбиты 0º называются геостационарными, т. к. они неподвижны относительно экватора.

В СРНС «Цикада» период обращения НС T = 105 мин; в СРНС ГЛОНАСС T = 11,2 час; в GPS T = 12 час.

В реальных условиях траекторного движения НС на него действуют кроме основной, центральной силы притяжения Земли, разнообразные дополнительные силы. И хотя они малы по сравнению с основной, их длительное воздействие приводит к отклонениям (возмущениям) реальной орбиты от кеплеровой.

Основными источниками возмущений орбит НС являются:

- возмущения гравитационного поля вследствие несферичности Земли и неравномерности распределения её массы;

- притяжение со стороны Луны и Солнца;

- сопротивление атмосферы при движении НС;

- давление светового излучения Солнца.

При анализе возмущённого движения НС принято считать, что НС в каждый момент времени находится на той невозмущённой орбите, которая рассчитана с учётом прекращения в этот момент действия возмущающих сил. Это означает, что элементы орбиты непостоянны, каждой точке траектории соответствует своя кеплерова орбита, которую называют оскулирующей.

Все наблюдаемые возмущения орбит разделяют на вековые и периодические. Вековые изменения орбитальных элементов e,p,i отсутствуют, а периодические существуют. Орбитальная плоскость и сама орбита вращаются (прецессируют) в инерциальном пространстве. Вековой уход долготы восходящего узла за один оборот НС:

, (1.11)

где ε = 2,6341025 м5/с – коэффициент, учитывающий конфигурацию Земли.

Вековой уход аргумента перигея за один оборот НС составляет приближённо:

. (1.12)

Полярные орбиты отличаются стабильностью орбитальной плоскости и сравнительно большими изменениями формы орбиты и её ориентации в орбитальной плоскости. Наклонные орбиты, характерные для среднеорбитных СРНС, отличаются стабильностью параметров – аргумента перигея и периода обращения.

При высотах полёта НС более 1000 км эффект атмосферного торможения невелик.

Для среднеорбитных СРНС возмущения из-за влияния Луны и Солнца превосходят возмущения, вызванные аномалиями силы тяжести Земли.

Для расчёта возмущённых пространственных координат НС и их производных аппаратура потребителя получает от НС периодически обновляемые окулирующие элементы и поправки к ним.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Морские карты. Навигационные руководства пособия. Навигационные опасности и средства навигационного оборудования морей. Счисление пути корабля и определение счислимых координат. Определение места корабля по береговым ориентирам. Навигационные параметры. Кораблевождение в особых условиях плавания. Навигационное обеспечение постановки корабля на якорь.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Эта тема принадлежит разделу:

Навигация и лоция

Морские карты. Навигационные руководства пособия. Навигационные опасности и средства навигационного оборудования морей. Счисление пути корабля и определение счислимых координат. Определение места корабля по береговым ориентирам. Навигационные параметры. Кораблевождение в особых условиях плавания. Навигационное обеспечение постановки корабля на якорь.

К данному материалу относятся разделы:

Определение предмета, задачи и цели изучаемого курса

Основные задачи кораблевождения, основные дисциплины кораблевождения

Навигация - основная дисциплина кораблевождения

Фигура и размеры земли

Основные точки, линии и плоскости на поверхности Земли

Географические координаты

Определение направлений в море

Понятия курс, пеленг и курсовой угол

Магнитные направления

Компасные направления

Дальность видимости ориентиров в море

Основные единицы расстояния и скорости

Морские карты, навигационные руководства и пособия для плавания

Понятие о картографических проекциях

Назначение морских карт и требования к их содержанию и оформлению

Классификация морских карт

Чтение навигационных карт

Порядок несения поправок и изменений в морские карты

Классификация морских навигационных руководств и пособий

Нумерация морских навигационных руководств и пособий

Использование в кораблевождении навигационных морских карт, морских навигационных руководств и пособий для плавания

Особенности навигационных условий плавания в заданном районе

Берега

Глубины, рельеф дна и характер грунта

Гидрометеорологическое обстановка в районе плавания, ее влияние на действия сил флота

Метеорологические условия плавания

Температура и влажность воздуха

Ветры

Облачность и осадки

Местные признаки погоды

Особые метеорологические явления

Гидрологические условия плавания

Колебания уровня

Ледовый режим

Морские навигационные опасности. Виды навигационных опасностей

Система ограждения навигационных опасностей

Особенности кораблевождения и способы счисления пути корабля

Ручное географическое счисление с учетом циркуляции, с учетом дрейфа и с учетом течения

Счисление пути корабля с учетом течения

Учёт циркуляции при счислении

Учет циркуляции графическим способом

Аналитическое (письменное) счисление

Автоматическое счисление

Точность графического счисления

Единицы длины, принятые в кораблевождении

Общие принципы определения места корабля по ориентирам

Классификация погрешностей наблюдений

Оценка точности определения места судна по двум линиям положения при влиянии случайных погрешностей

Средства и способы измерения навигационных параметров

Определение места по расстояниям до 2-х ориентиров

Определение места по расстояниям до 3-х ориентиров

Определение места корабля по расстояниям методом крюйс – способом

Определение места корабля по компасным пеленгом

Определения места корабля по двум пеленгам

Определение места корабля по трем пеленгам

Определение места корабля по пеленгам методом крюйс – способом

Общая характеристика космических навигационных систем

Навигационное использование низкоорбитных космических систем

Сущность определения места по геофизическим полям

Плавание в районах стесненных в навигационном отношении

Подготовка к плаванию в узкостях

Навигационные особенности плавания в узкостях

Кораблевождение в узкостях

Кораблевождение в ограниченную видимость

Кораблевождение во льдах

Расчет места якорной стоянки

Постановка корабля на один якорь и съемка с якоря

Задачи и содержание навигационной подготовки к походу

Практическое занятие по основам маневрирования

Похожие материалы: