Műholdas navigációs rendszer

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. november 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 16 szerkesztést igényelnek .

A műholdas navigációs rendszer  (GNSS, angol  Global Navigation Satellite System, GNSS ) egy olyan rendszer, amelyet arra terveztek, hogy meghatározza a szárazföldi, vízi és légi objektumok helyzetét ( földrajzi koordinátáit ), valamint az alacsony pályán keringő űrjárműveket . A műholdas navigációs rendszerek lehetővé teszik a jelvevő sebességének és irányának meghatározását is . Ezen kívül lehet használni, hogy megkapja a pontos időt. Az ilyen rendszerek űrberendezésekből és földi szegmensből (vezérlőrendszerekből) állnak.

2020-ra három műholdrendszer biztosítja a teljes lefedettséget és a zavartalan működést az egész földkerekség számára - GPS , GLONASS , Beidou [1 ] .

Hogyan működik

A műholdas navigációs rendszerek működési elve az objektumon lévő antenna távolságának mérésén alapul (amelynek koordinátáit meg kell szerezni) a műholdakhoz , amelyek helyzete nagy pontossággal ismert . Az összes műhold pozíciótáblázatát almanachnak nevezzük , amellyel minden műholdvevőnek rendelkeznie kell a mérések megkezdése előtt . Jellemzően a vevő az utolsó leállítás óta a memóriában tartja az almanachot, és ha nem elavult, azonnal felhasználja. Minden műhold a teljes almanachot továbbítja a jelében. Így a rendszer több műholdjától való távolság ismeretében , hagyományos geometriai konstrukciók segítségével, az almanach alapján kiszámítható egy objektum helyzete a térben.

A műhold és a vevőantenna távolságának mérési módszere azon alapul, hogy a rádióhullámok terjedési sebességét feltételezzük ismertnek (valójában ez a kérdés rendkívül összetett, számos rosszul megjósolható tényező befolyásolja a sebességet, mint pl. az ionoszféra réteg jellemzői stb.). A terjedő rádiójel idejének mérési lehetőségének megvalósítása érdekében a navigációs rendszer minden műholdja pontos időjeleket bocsát ki a rendszeridővel pontosan szinkronizált atomórák segítségével . Műholdvevő működése közben az órája szinkronizálva van a rendszeridővel, a további jelek vételekor pedig a magában a jelben lévő sugárzási idő és a jelvételi idő közötti késleltetés kiszámításra kerül. Ezen információk alapján a navigációs vevő kiszámítja az antenna koordinátáit. Az összes többi mozgási paramétert (sebesség, irány, megtett távolság) a rendszer annak az időnek a mérése alapján számítja ki, amelyet a tárgy két vagy több bizonyos koordinátákkal rendelkező pont között mozgott.

Alapelemek

A műholdas navigációs rendszer fő elemei:

• speciális rádiójeleket kibocsátó műholdak orbitális konstellációja ( Satellite Constellation ) ;
• földi irányító és megfigyelő rendszer ( földi szegmens ), beleértve a műholdak aktuális helyzetének mérésére szolgáló blokkokat és a kapott információk továbbítását a pályákkal kapcsolatos információk helyesbítésére ;
• műholdas navigációs rendszerek fogyasztói berendezései (" műholdas navigátorok ") a koordináták meghatározására;
• opcionális: földi beacon rendszer , amely jelentősen javíthatja a koordináták meghatározásának pontosságát; [egy]
• opcionálisan: információs rádiórendszer a korrekciók továbbítására a felhasználók felé, amely jelentősen javíthatja a koordináták meghatározásának pontosságát [2] .

Listázási megjegyzések :

1 Földelt  (integrált) szegmensa differenciálkorrekciós rendszerhez(SDCS) 2  A 2010-es évek közepe óta a GNSS szerves része.

A műholdas navigációs rendszerek áttekintése

Történelmi rendszerek

• Transit  – a világ első műholdas navigációs rendszere, USA, 1960-1996.
• A Cyclone  az első műholdas navigációs rendszer a Szovjetunióban [2] , 1976-2010.
• Cicada  - alacsony pályás "űrnavigációs rendszer" * (SNS) - a Cyclone tengeri műholdas navigációs rendszer polgári változata, a Transit analógja - 1976-2008.
• Vitorla  - alacsony pályán keringő KNS (ezen a néven állították szolgálatba 1976-ban) - orosz (szovjet) katonai navigációs műholdak sorozata.

Műholdas rendszerek üzemben és fejlesztés alatt

• A GPS az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának  tulajdona . Ez a tény egyes államok szerint a fő hátránya. A GPS-navigációt támogató eszközök a legelterjedtebbek a világon. Korábbi nevén NAVSTAR is ismert.
• GLONASS  - az Orosz Föderáció Védelmi Minisztériumához tartozik . A rendszer fejlesztése hivatalosan 1976-ban kezdődött, a rendszer teljes kiépítése 1995-ben fejeződött be. 1996 után a műholdrendszer lecsökkent és 2002-re leépült. 2011 végére helyreállították. Jelenleg 127 műhold kering pályán, ebből 122-t rendeltetésszerűen használnak [3] . 2025-re a rendszer mélyreható modernizálása várható.
• A Beidou egy kínai globális műholdas navigációs rendszer, amely geostacionárius , geoszinkron és közepes pályás műholdakon alapul. A program megvalósítása 1994 -ben kezdődött . Az első műhold 2000-ben állt pályára. 2015-ben a rendszernek 4 működő műholdja volt: 2 geostacionárius pályán, 3 geoszinkron pályán és 4 közepes földközeli pályán. 2020. június 23-án felbocsátották a BeiDou rendszer 15. műholdját, ezzel lezárva a globális műholdas navigációs rendszer létrehozását. 2020. július 31-én Hszi Csin -ping kínai elnök bejelentette a Beidou rendszer működésének megkezdését [4] .
• A DORIS  egy francia navigációs rendszer. A rendszer működési elve a Doppler-effektus használatához kapcsolódik . Más műholdas navigációs rendszerekkel ellentétben helyhez kötött földi adók rendszerén alapul, a vevők a műholdakon találhatók. A műhold pontos helyzetének meghatározása után a rendszer meg tudja állapítani a jelzőfény pontos koordinátáit és magasságát a Föld felszínén. Eredetileg az óceánok és a kontinensek sodródásának megfigyelésére szánták.
• A Galileo  egy európai rendszer, amely a műholdkonstelláció létrehozásának szakaszában van. 2016 novemberéig 16 műhold kering pályán, 9 aktív és 7 tesztelés alatt áll. A tervek szerint a műholdkonstellációt 2020-ra telepítik teljes mértékben [5] .

Regionális műholdas rendszereket hozott létre

• Az IRNSS  egy indiai navigációs műholdrendszer, fejlesztés alatt áll. Csak Indiában való használatra készült. Az első műholdat 2008 -ban bocsátották fel . Az IRNSS műholdak száma összesen 7.
• QZSS  – A japán Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) 2002-ben készült, mint egy kereskedelmi rendszer, amely mobilkommunikációs, műsorszórási és széles körben elterjedt navigációs szolgáltatásokat kínál Japánban és Délkelet-Ázsia szomszédos területein. Az első QZSS műholdat 2010-ben bocsátották fel. A tervek szerint három műholdból álló konstellációt hoznak létre geoszinkron pályán , valamint saját differenciálkorrekciós rendszert .

A navigációs rendszerek használata

A navigáció mellett a műholdas rendszereknek köszönhetően kapott koordinátákat a következő iparágakban használják:

• Geodézia : navigációs rendszerek segítségével meghatározzák a pontok pontos koordinátáit
• Navigáció : navigációs rendszerek segítségével tengeri és közúti navigációt is végeznek
• Szállítás műholdfigyelése : navigációs rendszerek segítségével figyelik az autók helyzetét, sebességét, irányítják mozgásukat
• Mobil : Az első GPS-szel ellátott mobiltelefonok a 90-es években jelentek meg. Egyes országokban (például az USA-ban) ezt használják a 911-et hívó személy tartózkodási helyének gyors meghatározására. Oroszországban 2010-ben indult el egy hasonló projekt - Era-GLONASS .
• Tektonika , lemeztektonika : a lemezmozgások és oszcillációk megfigyelése navigációs rendszerekkel történik
• Aktív kikapcsolódás : különféle játékok vannak, ahol navigációs rendszereket használnak, például Geocaching stb.
• Geocímkézés : az információk, például a fényképek, a beépített vagy külső GPS-vevőknek köszönhetően a koordinátákhoz „csatolódnak”

A navigációs műholdrendszerek főbb jellemzői

paraméter, módszer	GPS NAVSTAR	SRNS GLONASS	TÍZ GALILEÓ	BDS iránytű
A fejlesztés kezdete	1973	1976	2001	1983
Első indítás	1978. február 22	1982. október 12	2005. december 28	2000. október 30
NS száma (tartalék)	24. cikk (3)	24. cikk (3)	27. cikk (3) bekezdés	30. cikk (5) bekezdés
A pályasíkok száma	6	3	3	3
NS száma a pályasíkban (tartalék)	négy	8. cikk (1)	9. cikk (1)	9
Orbit típus	Kör alakú	Kör alakú (e=0±0,01)	Kör alakú	Kör alakú
Pályamagasság (számított), km	20183	19100	23224	21528
Orbitális dőlés, fokok	~55 (63)	64,8±0,3	56	~55
A forradalom névleges periódusa az átlagos szoláris időben	~11 óra 58 perc	11 óra 15 perc 44 ± 5 ​​s	14 óra 4 perc és 42 mp	12 óra 53 perc 24 mp
Jel karakterisztika	CDMA	FDMA (CDMA tervezett)	CDMA	CDMA
NS jelszétválasztási módszer	Kód	Kód-gyakoriság (kód a teszteken)	Kód gyakorisága	nincs adat
frekvenciák száma	2+1 tervezve	24 + 12 tervezett	5	2+1 tervezve
Rádiójelek vivőfrekvenciái, MHz	L1=1575,42 L2=1227,60 L5=1176,45	L1=1602,5625…1615,5 L2=1246,4375…1256,5 L3= 1207,2420…1201,7430 L5 jel 1176,45 MHz-en (tervezett)	E1=1575,42 (L1) E6=1278,750 E5=L5+L3 E5=1191,795 E5A=1176,46 (L5) E5B=1207,14 E6=12787,75	B1=1575,42 (L1) B2=1191,79 (E5) B3=1268,52 B1-2=1589,742 B1-2=1589,742 B1=1561,098 B2=1207,14 B3=1268,52
A tartománykód (vagy szegmensének) ismétlési periódusa	1 ms (C/A kód)	1 ms	nincs adat	nincs adat
Tartomány kód típusa	Arany kód (C/A kód 1023 számjegy)	M-sorozat (a CT-kód 511 számjegy)	M-sorozat	nincs adat
A távolságmérő kód órajel-frekvenciája, MHz	1,023 (C/A kód) 10,23 (P,Y kód)	0,511	E1=1,023 E5=10,23 E6=5,115	nincs adat
A digitális információ (illetve SI- és D-kód) átviteli sebessége	50 karakter/s (50 Hz)	50 karakter/s (50 Hz)	25, 50, 125, 500, 100 Hz	50/100 25/50 500
Superframe időtartam, min	12.5	2.5	5	nincs adat
Képkockák száma egy szuperkockában	25	5	nincs adat	nincs adat
Sorok száma képkockánként	5	tizenöt	nincs adat	nincs adat
Időzítési rendszer	UTC (USNO)	UTC(SU)	UTC (GST)	UTC (BDT)
Koordináta referenciarendszer	WGS-84	PZ-90/PZ-90.02/PZ-90.11	ETRF-00	CGCS-2000
Ephemiris típusú	Módosított Kepleri elemek	Geocentrikus koordináták és származékaik	Módosított Kepleri elemek	nincs adat
Sugárzási szektor a Föld középpontja irányából	L1=±21 0-nál L2=±23,5 0-nál	±19 0-nál	nincs adat	nincs adat
Föld szektor	±13,5 0-nál	±14,1 0-nál	nincs adat	nincs adat
Differenciál korrekciós rendszer	WAAS	SDCM	EGNOS	SNAS
Magas pálya geoszinkron szegmens	Nem	K+F folyamatban van	K+F folyamatban van	3 NS
Geostacionárius szegmens	Nem	K+F folyamatban van	K+F folyamatban van	5 NS
Pontosság	5 m ( DGPS nélkül )	4,5 m - 7,4 m ( DGPS nélkül )	1 m (nyitott jelzés), 0,01 m (zárt)	10 m (nyitott jelzés), 0,1 m (zárt)

Differenciálmérés

A műholdvevők külön modelljei lehetővé teszik az ún. "differenciális mérés" két pont közötti távolság nagy pontossággal ( centiméter ). Ehhez két ponton, rövid időintervallumban megmérik a navigátor helyzetét. Ugyanakkor bár minden ilyen mérés hibája földi korrekciós rendszer nélkül 10-15 méter, ilyen rendszer esetén pedig 10-50 cm, a mért távolság jóval kisebb hibával rendelkezik, mivel a zavaró tényezők a mérés (műhold pályahibája, légköri inhomogenitás a Föld adott helyén stb.) ebben az esetben kölcsönösen levonandó.

Ezenkívül számos olyan rendszer van, amely tisztázó információkat küld a fogyasztónak ("koordináták differenciális korrekciója"), amely lehetővé teszi a vevő koordinátáinak mérési pontosságát 10 centiméterre. A differenciális korrekciót akár geostacionárius műholdakról, akár földi bázisállomásokról küldik , fizetős (a jel dekódolása csak egy adott vevővel lehetséges „szolgáltatás-előfizetés” fizetése után), vagy ingyenes.

2009-re a következő ingyenes korrekciós rendszerek álltak rendelkezésre: amerikai WAAS (GPS), európai EGNOS (Galileo), japán MSAS (QZSS) [6] . Több geostacionárius műholdon alapulnak, amelyek korrekciót továbbítanak, ami nagy (30 cm-es) pontosságot tesz lehetővé.

2016-ra befejeződött a GLONASS SDCM nevű korrekciós rendszerének létrehozása .

Jegyzetek

1. ↑ A "Beidou" főbb eseményei // Kína . - 2020. - 9. sz . - S. 26-27 .
2. ↑ Suvorov E. F. Krónika a hazai műholdas rendszer ötletének eredetéről, fejlődéséről és megvalósításának első lépéseiről. M .: Kucskovói mező, 2014. - 232 p., ill. — ISBN 978-5-9950-0389-2 .
3. ↑ A KNS GLONASS csoport jelenlegi összetétele . Hozzáférés dátuma: 2016. január 27. Az eredetiből archiválva : 2016. március 29. (határozatlan)
4. ↑ Mo Qian, Pei Xiaotong. "Beidou" nevű legenda // Kína . - 2020. - 9. sz . - S. 24 .
5. ↑ Roskosmos: Szojuz-ST-B hordozórakéta Galilio űrrepülőgéppel sikeresen felbocsátva a Kourou kozmodrómról. (nem elérhető link) . Hozzáférés dátuma: 2015. szeptember 16. Az eredetiből archiválva : 2016. február 3. (határozatlan) 
6. ↑ Jelenlegi és tervezett globális és regionális navigációs műholdrendszerek és műholdalapú bővítőrendszerek archiválva 2016. február 22-én a Wayback Machine / unoosa 2010 -ben

Irodalom

• Serapinas B.B. Globális helymeghatározó rendszerek. - M.  : IKF "Katalógus", 2002. - 106 p.
• Antonovich KM Műholdas rádiónavigációs rendszerek használata a geodéziában  : monográfia : 2 kötetben . - M .  : Kartgeocenter, 2005. - T. 1.
• Antonovich KM Műholdas rádiónavigációs rendszerek használata a geodéziában  : monográfia : 2 kötetben . - M .  : Kartgeocenter, 2006. - T. 2.
• Genike A.A., Pobedinsky G.G. Globális műholdas helymeghatározó rendszerek és alkalmazásuk a geodéziában. - 2. kiadás, átdolgozva. és további — M.  : Kartgeotsentr, 2004. — 355 p. — ISBN 5-86066-063-4 .

Linkek

• Nemzetközi Műholdas Navigációs Fórum A műholdas navigáció kérdéseivel foglalkozó rendezvény
• Hogyan működnek a GPS és a GLONASS navigációs rendszerek (videó)

Navigációs rendszerek
Műhold	történelmi tranzit Kabóca / Ciklon Jelenlegi globális Galileo GPS beidou GLONASS Jelenlegi regionális DORIS IRNSS QZSS
Talaj	Omega Alpha Loran-C Sirály Decca Konzol DORIS
Differenciálkorrekciós rendszerek	WAAS SDCM EGNOS SNAS MSAS GAGAN