Радионавигация (наземный аналог спутниковых систем)
После изобретения радио и разработки конструкций направленных антенн, были предприняты вполне очевидные попытки применить для целей навигации радиомаяки, работающие за пределами оптической видимости. Кроме морской навигации, радиомаяки стали широко применяться (и применяются до сих пор) в авиации для прокладки и коррекции курса летательных аппаратов. Радиомаяки позволяют скорректировать показания бортового магнитного компаса и частично заменить или продублировать его. Точность работы бортового радиокомпаса позволяет пилотам гарантированно выйти на такое расстояние к аэродрому, при котором возможна дальнейшая визуальная ориентация в пространстве, например, по местности (малая авиация) или огням взлетно-посадочной полосы.
Анализируя работу радионавигационных систем, основанных на радиомаяках, можно обнаружить, что традиционные радиокомпасы, решая с приемлемой точностью задачу коррекции курса, не позволяют решить задачу точного определения местоположения на местности, т.е. определения долготы и широты объекта.
Для успешного решения задачи определения местоположения необходимо измерять дальности, т.е. расстояния между приемником и передатчиками. Зная лишь дальности до трех передатчиков, расположенных в одной плоскости с приемником, можно однозначно решить задачу определения местоположения.
Появление в 1960-х годах чрезвычайно точных атомных часов позволило существенно снизить погрешности дальномерного метода, до уровня, достаточного для широкого применения его на практике.
|
|
|
Практическим воплощением дальномерного метода в США является морская навигационная система LORAN (Long Range Aid lo Navigation — Навигационное оборудование дальнего радиуса действия), имеющая чрезвычайно большое значение в истории развития Глобальных навигационных спутниковых систем, поскольку в ней впервые было использовано определение времени прохождения сигнала от передатчика до приемника, получившее дальнейшее развитие в системах спутниковой навигации.
Значение скорости распространения Радиосигнала давно известно науке, поэтому, измерив с достаточной точностью время распространения радиосигнала, можно легко вычислить точное расстояние до передатчика. Передатчик излучает сигнал непрерывно, а время распространения сигнала вычисляется по набегу фазы за время прохождения радиоволнами расстояния до приемника. Поскольку относительный набег фазы прямо пропорционален времени прохождения сигнала, по разности фаз между внутренним опорным сигналом приемника и принимаемым сигналом вычисляется расстояние до передатчика.
|
|
|
Спутниковые системы позиционирования
Запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 г. произвел переворот в различных областях науки и техники. В геодезии были разработаны новые методы решения научных задач с помощью ИСЗ. Значительно повысилась точность навигации и определения положения точек и объектов на поверхности Земли.
С созданием мощных радиолокационных станций стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение спутника по отраженному от его поверхности лучу радиолокатора. Появилась возможность измерения параметров движения спутника по излучаемому сигналу. В 1957 году в СССР группа ученых под руководством академика Владимира Александровича Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения ИСЗ по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником.
Эффект Доплера (доплеровский сдвиг частоты) — изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Эффект Доплера имеет место при любом волновом процессе распространения энергии. Основная причина данного явления — изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приемником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приемника в каждою секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний.
|
|
|
Группой Котельникова была установлена возможность решения обратной задачи — нахождения координат приемника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ. если параметры движения и координаты этого спутника известны. При движении спутник излучает сигнал определенной частоты, который несет информацию о его положении на орбите. Если измерить частоту принятого сигнала и сравнить ее с эталонной, то можно вычислить доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника.
При непрерывном измерении можно составить своего рода функцию изменения частоты Доплера. Частота Доплера непрерывно изменяется и в какой-то момент становится равной нулю, затем изменяет знак. В момент равенства нулю частоты Доплера приемник находится на линии, которая является нормалью к вектору движения спутника. Измерив момент времени, когда частота Доплера равна нулю, и используя зависимость крутизны кривой доплеровской частоты от расстояния между приемником и ИСЗ, можно вычислить координаты приемника. При этом спутник становится радионавигационной опорной станцией, координаты которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря эфемеридной информации, заложенной в навигационном сигнале, спутника.
|
|
|
В 1963 году начались работы по построению первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы «Цикада». В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный
навигационный спутник «Космос-192». Для радионавигационных спутниковых систем первого поколения характерным является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника.
Ошибка в определении координат для подвижного объекта составляла 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м.
Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов в США также начали развиваться после запуска СССР в 1957 году первого искусственного спутника Земли. В это время была поставлена задача слежения за советским ИСЗ посредством приема его сигнала на наземном пункте с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты передатчика ИСЗ и дальнейшего расчета параметров движения спутника. Одновременно решалась и обратная задача расчета координат приемника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ.
На этой основе в интересах навигационного обеспечения в 1964 году была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения «Transit», предназначенная для навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет «Поларис». После того, как в 1967 г. эта система была предоставлена для коммерческого использования, число гражданских потребителей быстро превысило число военных. Координаты потребителя рассчитывались на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из 6—7 навигационных космических аппаратов, который мог находиться в поле видимости в течение примерно 40 минут.
Так же, как и в системе «Цикада», в системе «Transit» координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников, которые имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли -100 км. Период обращения спутников «Transit» равен 107 минутам.
Спутниковые низкоорбитальные доплеровские радионавигационные системы имеют ряд существенных недостатков:
1. недостаточная точность определения координат объектов;
2. отсутствие непрерывности в измерениях, так как спутники имеют низкие орбиты, и поэтому время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа;
3. время между прохождением различными спутниками зоны видимости зависит от географической широты, на которой находится наблюдатель, и может составить величину от 35 до 90 минут. Сокращение этого времени за счет наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и тон же частоте.
Для преодоления указанных недостатков были предложены другие способы применения спутников. Например, при определении взаимного расположения спутников их можно синхронно наблюдать с нескольких наземных станций. Сам спутник при этом может играть пассивную роль (например, отражая луч лазера, посланный с наземной станции, обратно на ту же станцию) или активную роль (непрерывно осуществляя передачу радиосигнала).
На начальных этапах развития космической геодезии сигналы подавались в виде вспышек света, которые фотографировались на фоне звезд одновременно с нескольких наземных пунктов, находящихся вне прямой видимости. Положение спутника на фотографии относительно опорных звезд давало возможность определить точное направление на него сданной станции наблюдения.
В настоящее время для определения местоположения на земной поверхности обычно измеряют расстояние между наземным пунктом и спутником, а также скорость изменения этого расстояния при прохождении спутника. Расстояния рассчитывают, исходя из времени, которое затрачивает электромагнитный сигнал (лазерная вспышка или радиоимпульс) на прохождение пути от спутника до принимающей станции при условии, что скорость распространения сигнала известна.
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 76; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!