Satellitnavigeringssystem

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 november 2021; kontroller kräver 16 redigeringar .

Satellitnavigeringssystem (GNSS, engelska Global Navigation Satellite System, GNSS ) är ett system utformat för att bestämma platsen ( geografiska koordinater ) för land-, vatten- och luftobjekt, såväl som rymdfarkoster i låg omloppsbana . Satellitnavigeringssystem låter dig också få hastigheten och riktningen på signalmottagaren . Dessutom kan användas för att få den exakta tiden. Sådana system består av rymdutrustning och marksegment (kontrollsystem).

För 2020 ger tre satellitsystem full täckning och oavbruten drift för hela världen - GPS , GLONASS , Beidou [1 ] .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för satellitnavigeringssystem bygger på att mäta avståndet från antennen på objektet ( vars koordinater måste erhållas) till satelliter , vars position är känd med stor noggrannhet . Tabellen över positioner för alla satelliter kallas en almanacka , som alla satellitmottagare måste ha innan mätningar påbörjas . Vanligtvis håller mottagaren almanackan i minnet sedan den senaste avstängningen, och om den inte är inaktuell använder den den omedelbart. Varje satellit sänder hela almanackan i sin signal. Således, genom att känna till avstånden till flera satelliter i systemet, med hjälp av konventionella geometriska konstruktioner, baserade på almanackan, kan man beräkna positionen för ett objekt i rymden.

Metoden för att mäta avståndet från satelliten till mottagarantennen är baserad på det faktum att utbredningshastigheten för radiovågor antas vara känd (i själva verket är denna fråga extremt komplex, många dåligt förutsägbara faktorer påverkar hastigheten, som t.ex. egenskaperna hos det jonosfäriska skiktet, etc.). För att implementera möjligheten att mäta tiden för den fortplantade radiosignalen sänder varje satellit i navigationssystemet ut exakta tidssignaler med hjälp av atomklockor som är exakt synkroniserade med systemtiden . När en satellitmottagare är i drift synkroniseras dess klocka med systemtiden, och vid vidare mottagning av signaler beräknas fördröjningen mellan strålningstiden som ingår i själva signalen och signalmottagningstiden. Med denna information beräknar navigationsmottagaren koordinaterna för antennen. Alla andra rörelseparametrar (hastighet, kurs, tillryggalagd sträcka) beräknas baserat på mätningen av den tid som objektet tillbringade med att röra sig mellan två eller flera punkter med vissa koordinater.

Grundläggande element

Huvudelementen i satellitnavigeringssystemet:

orbital konstellation ( satellitkonstellation ) av satelliter som sänder ut speciella radiosignaler ;
markkontroll- och övervakningssystem ( marksegment ), inklusive block för mätning av satelliters aktuella position och sändning av mottagen information till dem för att korrigera information om banor ;
konsumentutrustning för satellitnavigeringssystem (" satellitnavigatorer ") som används för att bestämma koordinater;
valfritt: markbaserat beacon system , som avsevärt kan förbättra noggrannheten vid bestämning av koordinater; [ett]
valfritt: ett informationsradiosystem för att överföra korrigeringar till användare, vilket avsevärt kan förbättra noggrannheten vid bestämning av koordinater [2] .

Noteringar :

1 Är ett jordat (integrerat) segment förDifferential Correction System(SDCS) 2 Sedan mitten av 2010-talet har det varit en integrerad del av GNSS.

Översikt över satellitnavigeringssystem

Historiska system

Transit - världens första satellitnavigeringssystem, USA, 1960-1996.
Cyclone är det första satellitnavigeringssystemet i Sovjetunionen [2] , 1976-2010.
Cicada - "rymdnavigeringssystem" * (SNS) i låg omloppsbana - en civil version av Cyclone marina satellitnavigeringssystem, en analog till Transit - 1976-2008.
Sail - KNS med låg omloppsbana (det var med detta namn som den togs i bruk 1976) - en serie ryska (sovjetiska) militära navigationssatelliter.

Satellitsystem i drift och under utveckling

GPS ägs av det amerikanska försvarsdepartementet . Detta faktum, enligt vissa stater, är dess största nackdel. Enheter som stöder GPS-navigering är de vanligaste i världen. Även känt under sitt tidigare namn NAVSTAR.
GLONASS - tillhör Ryska federationens försvarsministerium . Utvecklingen av systemet började officiellt 1976, den fullständiga utbyggnaden av systemet slutfördes 1995. Efter 1996 reducerades satellitkonstellationen och föll 2002 i förfall. Den återställdes i slutet av 2011. För närvarande finns det 127 satelliter i omloppsbana, varav 122 används för sitt avsedda syfte [3] . Till 2025 förväntas en djupgående modernisering av systemet.
Beidou är ett kinesiskt globalt satellitnavigeringssystem baserat på geostationära , geosynkrona och medelstora satelliter. Genomförandet av programmet började 1994 . Den första satelliten gick i omloppsbana år 2000. Från och med 2015 hade systemet 4 operativa satelliter: 2 i geostationära banor, 3 i geosynkrona banor och 4 i medelstora jordnära banor. Den 23 juni 2020 lanserades BeiDou-systemets 15:e satellit, vilket fullbordade skapandet av ett globalt satellitnavigeringssystem. Den 31 juli 2020 tillkännagav Kinas president Xi Jinping att Beidou-systemet skulle börja fungera [4] .
DORIS är ett franskt navigationssystem. Principen för systemets funktion är förknippad med användningen av dopplereffekten . Till skillnad från andra satellitnavigeringssystem är det baserat på ett system av stationära marksändare, mottagarna är placerade på satelliterna. Efter att ha bestämt satellitens exakta position kan systemet fastställa de exakta koordinaterna och höjden för fyren på jordens yta. Det var ursprungligen tänkt att övervaka haven och kontinenternas drift.
Galileo är ett europeiskt system som är i färd med att skapa en satellitkonstellation. Från och med november 2016 finns det 16 satelliter i omloppsbana, 9 aktiva och 7 tester. Det är planerat att fullt ut distribuera satellitkonstellationen till 2020 [5] .

Skapade regionala satellitsystem

IRNSS är ett indiskt satellitnavigeringssystem som är under utveckling. Endast avsedd för användning i Indien. Den första satelliten sköts upp 2008 . Det totala antalet IRNSS-satelliter är 7.
QZSS - Japanese Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) tänktes 2002 som ett kommersiellt system med en uppsättning tjänster för mobil kommunikation, sändning och utbredd användning för navigering i Japan och närliggande områden i Sydostasien. Den första QZSS-satelliten lanserades 2010. Det är planerat att skapa en konstellation av tre satelliter i geosynkrona omloppsbanor , samt ett eget differentialkorrigeringssystem .

Användningen av navigationssystem

Förutom navigering används koordinater erhållna tack vare satellitsystem i följande branscher:

Geodesi : med hjälp av navigationssystem bestäms punkternas exakta koordinater
Navigering : med hjälp av navigationssystem utförs både sjö- och vägnavigering
Satellitövervakning av transport : med hjälp av navigationssystem övervakas bilarnas position och hastighet, och deras rörelse kontrolleras
Mobil : De första mobiltelefonerna med GPS dök upp på 90-talet. I vissa länder (till exempel USA) används detta för att snabbt fastställa platsen för en person som ringer 911. I Ryssland lanserades ett liknande projekt 2010 - Era-GLONASS .
Tektonik , plattektonik : observationer av plattans rörelser och svängningar görs med hjälp av navigationssystem
Aktiv rekreation : det finns olika spel där navigationssystem används, till exempel Geocaching , etc.
Geotaggning : information, såsom fotografier, är "bifogad" till koordinater tack vare inbyggda eller externa GPS-mottagare

Huvudegenskaper hos satellitnavigeringssystem

parameter, metod	GPS NAVSTAR	SRNS GLONASS	TIO GALILEO	BDS KOMPAS
Start av utveckling	1973	1976	2001	1983
Första starten	22 februari 1978	12 oktober 1982	28 december 2005	30 oktober 2000
Antal NS (reserv)	24(3)	24(3)	27(3)	30(5)
Antal orbitalplan	6	3	3	3
Antal NS i orbitalplanet (reserv)	fyra	8(1)	9(1)	9
Bantyp	Cirkulär	Cirkulär (e=0±0,01)	Cirkulär	Cirkulär
Banhöjd (beräknad), km	20183	19100	23224	21528
Orbital lutning, grader	~55 (63)	64,8±0,3	56	~55
Nominell rotationsperiod i medelsoltid	~11 h 58 min	11 h 15 min 44 ± 5 s	14 h 4 min och 42 s	12 h 53 min 24 s
Signalegenskaper	CDMA	FDMA (CDMA planerad)	CDMA	CDMA
NS-signalseparationsmetod	Koda	Kodfrekvens (kod på tester)	Kodfrekvens	inga data
antal frekvenser	2 + 1 planerade	24 + 12 planerade	5	2 + 1 planerade
Bärfrekvenser för radiosignaler, 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-signal vid 1176,45 MHz (planerad)	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
Upprepningsperioden för avståndskoden (eller dess segment)	1 ms (C/A-kod)	1 ms	inga data	inga data
Typ av intervallkod	Guldkod (C/A-kod 1023 siffror)	M-sekvens (CT-kod 511 siffror)	M-sekvens	inga data
Avståndsmätningskodens klockfrekvens, MHz	1,023 (C/A-kod) 10,23 (P,Y-kod)	0,511	E1=1,023 E5=10,23 E6=5,115	inga data
Hastigheten för överföring av digital information (respektive SI- och D-kod)	50 tecken/s (50 Hz)	50 tecken/s (50 Hz)	25, 50, 125, 500, 100 Hz	50/100 25/50 500
Superframe-längd, min	12.5	2.5	5	inga data
Antal ramar i en superram	25	5	inga data	inga data
Antal rader per ram	5	femton	inga data	inga data
Tidtagningssystem	UTC (USNO)	UTC(SU)	UTC (GST)	UTC (BDT)
Koordinatreferenssystem	WGS-84	PZ-90/PZ-90.02/PZ-90.11	ETRF-00	CGCS-2000
Ephemiris typ	Modifierade kepleriska element	Geocentriska koordinater och deras derivator	Modifierade kepleriska element	inga data
Sektor av strålning från riktningen till jordens centrum	L1=±21 vid 0 L2=±23,5 vid 0	±19 vid 0	inga data	inga data
Jordsektorn	±13,5 vid 0	±14,1 vid 0	inga data	inga data
Differentialkorrigeringssystem	WAAS	SDCM	EGNOS	SNAS
Geosynkront segment med hög omloppsbana	Nej	FoU pågår	FoU pågår	3 NS
Geostationärt segment	Nej	FoU pågår	FoU pågår	5 NS
Noggrannhet	5 m (utan DGPS )	4,5 m - 7,4 m (utan DGPS )	1 m (öppen signal), 0,01 m (stängd)	10 m (öppen signal), 0,1 m (stängd)

Differentialmätning

Separata modeller av satellitmottagare tillåter tillverkning av sk. "differentiell mätning" av avstånd mellan två punkter med stor precision ( centimeter ). För att göra detta mäts navigatorns position vid två punkter med ett kort tidsintervall. Samtidigt, även om varje sådan mätning har ett fel lika med 10-15 meter utan ett markbaserat korrigeringssystem och 10-50 cm med ett sådant system, har det uppmätta avståndet ett mycket mindre fel, eftersom de faktorer som interfererar med mätningen (satellitbanafel, atmosfärisk inhomogenitet på en given plats på jorden, etc.) i detta fall subtraheras ömsesidigt.

Dessutom finns det flera system som skickar förtydligande information till konsumenten ("differentiell korrigering till koordinater"), vilket gör det möjligt att öka noggrannheten för att mäta mottagarens koordinater upp till 10 centimeter. Differentialkorrigeringen skickas antingen från geostationära satelliter eller från markbundna basstationer , den kan betalas (signalavkodning är endast möjlig med en specifik mottagare efter att ha betalat för ett "tjänstabonnemang") eller gratis.

För 2009 fanns följande gratis korrigeringssystem tillgängliga: amerikanska WAAS (GPS), Europeiska EGNOS (Galileo), japanska MSAS (QZSS) [6] . De är baserade på flera geostationära satelliter som sänder korrigeringar, vilket möjliggör hög noggrannhet (upp till 30 cm).

Skapandet av ett korrigeringssystem för GLONASS kallat SDCM slutfördes 2016.

Anteckningar

↑ De viktigaste händelserna i "Beidou" // Kina . - 2020. - Nr 9 . - S. 26-27 .
↑ Suvorov E. F. Krönika om ursprunget, utvecklingen och de första stegen i implementeringen av idén om ett inhemskt satellitsystem. M .: Kuchkovo-fältet, 2014. - 232 s., ill. — ISBN 978-5-9950-0389-2 .
↑ Den nuvarande sammansättningen av KNS GLONASS-gruppen . Datum för åtkomst: 27 januari 2016. Arkiverad från originalet 29 mars 2016. (obestämd)
↑ Mo Qian, Pei Xiaotong. Legend som heter "Beidou" // Kina . - 2020. - Nr 9 . - S. 24 .
↑ Roskosmos: Soyuz-ST-B bärraket med Galilio rymdfarkost som framgångsrikt uppskjutits från Kourou kosmodrom. (inte tillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 16 september 2015. Arkiverad från originalet 3 februari 2016. (obestämd)
↑ Aktuella och planerade globala och regionala navigationssatellitsystem och satellitbaserade förstärkningssystem Arkiverade 22 februari 2016 på Wayback Machine / unoosa 2010

Litteratur

Serapinas B.B. Globala positioneringssystem. - M. : IKF "Katalog", 2002. - 106 sid.
Antonovich KM Användning av satellitradionavigeringssystem inom geodesi : monografi: i 2 volymer . - M . : Kartgeocenter, 2005. - T. 1.
Antonovich KM Användning av satellitradionavigeringssystem inom geodesi : monografi: i 2 volymer . - M . : Kartgeocenter, 2006. - T. 2.
Genike A.A., Pobedinsky G.G. Globala satellitpositioneringssystem och deras tillämpning inom geodesi. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare — M. : Kartgeotsentr, 2004. — 355 sid. — ISBN 5-86066-063-4 .

Länkar

Internationellt forum för satellitnavigering Ett evenemang tillägnat frågorna om satellitnavigering
Hur GPS och GLONASS navigationssystem fungerar (video)

Navigationssystem _

Satellit

historisk	genomresa Cikada / cyklon
Aktuell global	Galileo GPS beidou GLONASS
Aktuell regional	DORIS IRNSS QZSS

Jord

Differentiella korrigeringssystem