Satellitnavigationssystem

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. november 2021; checks kræver 16 redigeringer .

Satellitnavigationssystem (GNSS, engelsk Global Navigation Satellite System, GNSS ) er et system designet til at bestemme placeringen ( geografiske koordinater ) af land-, vand- og luftobjekter samt rumfartøjer i lav kredsløb . Satellitnavigationssystemer giver dig også mulighed for at få hastigheden og retningen på signalmodtageren . Derudover kan bruges til at få det nøjagtige tidspunkt. Sådanne systemer består af rumudstyr og jordsegment (kontrolsystemer).

For 2020 giver tre satellitsystemer fuld dækning og uafbrudt drift for hele kloden - GPS , GLONASS , Beidou [1 ] .

Sådan virker det

Funktionsprincippet for satellitnavigationssystemer er baseret på måling af afstanden fra antennen på objektet ( hvis koordinater skal opnås) til satellitter , hvis position er kendt med stor nøjagtighed . Tabellen over positioner for alle satellitter kaldes en almanak , som enhver satellitmodtager skal have, før målingerne begynder . Typisk holder modtageren almanakken i hukommelsen siden sidste nedlukning, og hvis den ikke er forældet, bruger den den med det samme. Hver satellit sender hele almanakken i sit signal. Ved at kende afstandene til flere satellitter i systemet, ved hjælp af konventionelle geometriske konstruktioner, baseret på almanakken, kan man således beregne positionen af et objekt i rummet.

Metoden til at måle afstanden fra satellitten til modtagerantennen er baseret på, at udbredelseshastigheden af radiobølger antages at være kendt (faktisk er dette problem ekstremt komplekst, mange dårligt forudsigelige faktorer påvirker hastigheden, som f.eks. det ionosfæriske lags egenskaber osv.). For at implementere muligheden for at måle tiden for det udbredte radiosignal udsender hver satellit i navigationssystemet nøjagtige tidssignaler ved hjælp af atomure , der er præcist synkroniseret med systemtiden . Når en satellitmodtager er i drift, synkroniseres dens ur med systemtiden, og under yderligere modtagelse af signaler beregnes forsinkelsen mellem strålingstiden indeholdt i selve signalet og signalmodtagelsestiden. Med denne information beregner navigationsmodtageren koordinaterne for antennen. Alle andre bevægelsesparametre (hastighed, kurs, tilbagelagt distance) beregnes ud fra målingen af den tid, som objektet brugte på at bevæge sig mellem to eller flere punkter med bestemte koordinater.

Grundlæggende elementer

De vigtigste elementer i satellitnavigationssystemet:

orbital konstellation ( satellitkonstellation ) af satellitter, der udsender specielle radiosignaler ;
jordkontrol- og overvågningssystem ( jordsegment ), inklusive blokke til måling af satellitternes aktuelle position og transmission af den modtagne information til dem for at rette information om baner ;
forbrugerudstyr til satellitnavigationssystemer (" satellitnavigatorer "), der anvendes til at bestemme koordinater;
valgfrit: jordbaseret beacon system , som betydeligt kan forbedre nøjagtigheden af at bestemme koordinater; [en]
valgfrit: et informationsradiosystem til overførsel af rettelser til brugere, hvilket kan forbedre nøjagtigheden af koordinatbestemmelse markant [2] .

Noter til notering :

1 Er et jord (integral) segment tilDifferential Correction System(SDCS) 2 Siden midten af 2010'erne har det været en integreret del af GNSS.

Oversigt over satellitnavigationssystemer

Historiske systemer

Transit - verdens første satellitnavigationssystem, USA, 1960'erne - 1996.
Cyclone er det første satellitnavigationssystem i USSR [2] , 1976-2010.
Cicada - low-orbit "rumnavigationssystem" * (SNS) - en civil version af Cyclone marine satellitnavigationssystem, en analog af Transit - 1976-2008.
Sejl - lav-kredsløb KNS (det var med dette navn, at det blev taget i brug i 1976) - en række russiske (sovjetiske) militære navigationssatellitter.

Satellitsystemer i drift og under udvikling

GPS ejes af det amerikanske forsvarsministerium . Denne kendsgerning er ifølge nogle stater dens største ulempe. Enheder, der understøtter GPS-navigation, er de mest almindelige i verden. Også kendt under sit tidligere navn NAVSTAR.
GLONASS - tilhører Den Russiske Føderations Forsvarsministerium . Udviklingen af systemet begyndte officielt i 1976, den fulde udrulning af systemet blev afsluttet i 1995. Efter 1996 blev satellitkonstellationen reduceret og faldt i 2002 i forfald. Det blev restaureret ved udgangen af 2011. I øjeblikket er der 127 satellitter i kredsløb, hvoraf 122 bruges til deres tilsigtede formål [3] . I 2025 forventes en dyb modernisering af systemet.
Beidou er et kinesisk globalt satellitnavigationssystem baseret på geostationære , geosynkrone og mellemstore satellitter. Gennemførelsen af programmet begyndte i 1994 . Den første satellit gik i kredsløb i 2000. Fra 2015 havde systemet 4 operationelle satellitter: 2 i geostationære kredsløb, 3 i geosynkrone kredsløb og 4 i medium nær-jordbaner. Den 23. juni 2020 blev den 15. satellit i BeiDou-systemet opsendt, hvilket fuldendte skabelsen af et globalt satellitnavigationssystem. Den 31. juli 2020 annoncerede den kinesiske præsident Xi Jinping starten af driften af Beidou-systemet [4] .
DORIS er et fransk navigationssystem. Funktionsprincippet for systemet er forbundet med brugen af Doppler-effekten . I modsætning til andre satellitnavigationssystemer er det baseret på et system af stationære jordbaserede sendere, modtagerne er placeret på satellitterne. Efter at have bestemt den nøjagtige position af satellitten, kan systemet etablere de nøjagtige koordinater og højden af beacon på jordens overflade. Det var oprindeligt beregnet til at overvåge havene og kontinenternes drift.
Galileo er et europæisk system, der er i gang med at skabe en satellitkonstellation. Fra november 2016 er der 16 satellitter i kredsløb, 9 aktive og 7 testede. Det er planen at installere satellitkonstellationen fuldt ud i 2020 [5] .

Oprettet regionale satellitsystemer

IRNSS er et indisk navigationssatellitsystem, under udvikling. Kun beregnet til brug i Indien. Den første satellit blev opsendt i 2008 . Det samlede antal IRNSS-satellitter er 7.
QZSS - Japanese Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) blev udtænkt i 2002 som et kommercielt system med et sæt tjenester til mobilkommunikation, udsendelse og udbredt brug til navigation i Japan og naboområder i Sydøstasien. Den første QZSS-satellit blev opsendt i 2010. Det er planlagt at skabe en konstellation af tre satellitter i geosynkrone kredsløb samt sit eget differentialkorrektionssystem .

Brugen af navigationssystemer

Ud over navigation bruges koordinater opnået takket være satellitsystemer i følgende industrier:

Geodæsi : ved hjælp af navigationssystemer bestemmes de nøjagtige koordinater af punkter
Navigation : ved hjælp af navigationssystemer udføres både sø- og vejnavigation
Satellitovervågning af transport : ved hjælp af navigationssystemer overvåges bilers position og hastighed, og deres bevægelse kontrolleres
Cellular : De første mobiltelefoner med GPS dukkede op i 90'erne. I nogle lande (for eksempel USA) bruges dette til hurtigt at bestemme placeringen af en person, der ringer 911. I Rusland blev et lignende projekt lanceret i 2010 - Era-GLONASS .
Tektonik , pladetektonik : observationer af pladebevægelser og svingninger foretages ved hjælp af navigationssystemer
Aktiv rekreation : der er forskellige spil, hvor navigationssystemer bruges, for eksempel Geocaching osv.
Geotagging : information, såsom fotografier, er "vedhæftet" til koordinater takket være indbyggede eller eksterne GPS-modtagere

Hovedkarakteristika for navigationssatellitsystemer

parameter, metode	GPS NAVSTAR	SRNS GLONASS	TEN GALILEO	BDS KOMPAS
Start af udvikling	1973	1976	2001	1983
Første start	22. februar 1978	12. oktober 1982	28. december 2005	30. oktober 2000
Antal NS (reserve)	24(3)	24(3)	27(3)	30(5)
Antal orbitale planer	6	3	3	3
Antal NS i orbitalplanet (reserve)	fire	8(1)	9(1)	9
Banetype	Cirkulær	Cirkulær (e=0±0,01)	Cirkulær	Cirkulær
Banehøjde (beregnet), km	20183	19100	23224	21528
Orbital hældning, grader	~55 (63)	64,8±0,3	56	~55
Nominel omdrejningsperiode i middelsoltid	~11 t 58 min	11 t 15 min 44 ± 5 sek	14 t 4 min og 42 s	12 t 53 min 24 s
Signalkarakteristika	CDMA	FDMA (CDMA planlagt)	CDMA	CDMA
NS-signalseparationsmetode	Kode	Kode-frekvens (kode på test)	Kode frekvens	ingen data
antal frekvenser	2 + 1 planlagt	24 + 12 planlagt	5	2 + 1 planlagt
Bærefrekvenser for 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 ved 1176,45 MHz (planlagt)	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
Gentagelsesperioden for afstandskoden (eller dens segment)	1 ms (C/A-kode)	1 ms	ingen data	ingen data
Områdekodetype	Guldkode (C/A-kode 1023 cifre)	M-sekvens (CT-kode 511 cifre)	M-sekvens	ingen data
Afstandsmålingskodens urfrekvens, MHz	1.023 (C/A-kode) 10.23 (P,Y-kode)	0,511	E1=1,023 E5=10,23 E6=5,115	ingen data
Overførselshastigheden af digital information (henholdsvis SI- og D-kode)	50 tegn/s (50 Hz)	50 tegn/s (50 Hz)	25, 50, 125, 500, 100 Hz	50/100 25/50 500
Superframe varighed, min	12.5	2.5	5	ingen data
Antal rammer i en superramme	25	5	ingen data	ingen data
Antal linjer pr. ramme	5	femten	ingen data	ingen data
Timing system	UTC (USNO)	UTC(SU)	UTC (GST)	UTC (BDT)
Koordinat referencesystem	WGS-84	PZ-90/PZ-90.02/PZ-90.11	ETRF-00	CGCS-2000
Ephemiris type	Modificerede Kepler-elementer	Geocentriske koordinater og deres afledte	Modificerede Kepler-elementer	ingen data
Sektor af stråling fra retningen til jordens centrum	L1=±21 ved 0 L2=±23,5 ved 0	±19 ved 0	ingen data	ingen data
Jordsektoren	±13,5 ved 0	±14,1 ved 0	ingen data	ingen data
Differentialkorrektionssystem	WAAS	SDCM	EGNOS	SNAS
Geosynkront segment med høj kredsløb	Ingen	R&D i gang	R&D i gang	3 NS
Geostationært segment	Ingen	R&D i gang	R&D i gang	5 NS
Nøjagtighed	5 m (uden DGPS )	4,5 m - 7,4 m (uden DGPS )	1 m (åbent signal), 0,01 m (lukket)	10 m (åbent signal), 0,1 m (lukket)

Differentialmåling

Separate modeller af satellitmodtagere tillader produktion af såkaldte. "differentiel måling" af afstande mellem to punkter med stor præcision ( centimeter ). For at gøre dette måles navigatorens position på to punkter med et kort tidsinterval. På samme tid, selvom hver sådan måling har en fejl svarende til 10-15 meter uden et jordbaseret korrektionssystem og 10-50 cm med et sådant system, har den målte afstand en meget mindre fejl, da de faktorer, der interfererer med målingen (satellitbanefejl, atmosfærisk inhomogenitet på et givet sted på Jorden osv.) i dette tilfælde trækkes fra hinanden.

Derudover er der flere systemer, der sender afklarende information til forbrugeren ("differentiel korrektion til koordinater"), hvilket gør det muligt at øge nøjagtigheden af måling af modtagerens koordinater op til 10 centimeter. Differentialkorrektionen sendes enten fra geostationære satellitter eller fra terrestriske basestationer , den kan betales (signalafkodning er kun mulig med en specifik modtager efter betaling for et "serviceabonnement") eller gratis.

For 2009 var følgende gratis korrektionssystemer tilgængelige: Amerikansk WAAS (GPS), europæisk EGNOS (Galileo), japansk MSAS (QZSS) [6] . De er baseret på flere geostationære satellitter, der transmitterer korrektioner, hvilket tillader høj nøjagtighed (op til 30 cm).

Oprettelsen af et korrektionssystem for GLONASS kaldet SDCM blev afsluttet i 2016.

Noter

↑ De vigtigste begivenheder i "Beidou" // Kina . - 2020. - Nr. 9 . - S. 26-27 .
↑ Suvorov E. F. Kronik om oprindelsen, udviklingen og de første trin i implementeringen af ideen om et indenlandsk satellitsystem. M .: Kuchkovo-feltet, 2014. - 232 s., ill. — ISBN 978-5-9950-0389-2 .
↑ Den nuværende sammensætning af KNS GLONASS-gruppen . Dato for adgang: 27. januar 2016. Arkiveret fra originalen 29. marts 2016. (ubestemt)
↑ Mo Qian, Pei Xiaotong. Legende ved navn "Beidou" // Kina . - 2020. - Nr. 9 . - S. 24 .
↑ Roskosmos: Soyuz-ST-B løfteraket med Galilio-rumfartøjet opsendt fra Kourou-kosmodromen. (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 16. september 2015. Arkiveret fra originalen 3. februar 2016. (ubestemt)
↑ Aktuelle og planlagte globale og regionale navigationssatellitsystemer og satellitbaserede augmentationssystemer Arkiveret 22. februar 2016 på Wayback Machine / unoosa 2010

Litteratur

Serapinas B.B. Globale positioneringssystemer. - M. : IKF "Katalog", 2002. - 106 s.
Antonovich KM Brug af satellitradionavigationssystemer i geodæsi : monografi: i 2 bind . - M . : Kartgeocenter, 2005. - T. 1.
Antonovich KM Brug af satellitradionavigationssystemer i geodæsi : monografi: i 2 bind . - M . : Kartgeocenter, 2006. - T. 2.
Genike A.A., Pobedinsky G.G. Globale satellitpositioneringssystemer og deres anvendelse i geodæsi. - 2. udg., revideret. og yderligere — M. : Kartgeotsentr, 2004. — 355 s. — ISBN 5-86066-063-4 .