Systemy nawigacji satelitarnej. Przemysław Bartczak

Transkrypt

1 Systemy nawigacji satelitarnej Przemysław Bartczak

2 Systemy nawigacji satelitarnej powinny spełniać następujące wymagania: system umożliwia określenie pozycji naziemnego użytkownika w każdym momencie, w każdym punkcie na Ziemi i w każdych warunkach propogacyjnych ( w tym meteorolicznych), system umożliwia określenie pozycji użytkownika ze średnim błędem kwadratowym nie większym niż 10 m, jego prędkości z błędem nie większym niż 0.1 m/s a czasu z błędem nie większym niż 1 μs, system jest odporny na zakłócenia celowe (jamming), system jest odporny na zniekształcenia celowe (spoofing), odbiornik użytkownika nie emituje jakichkolwiek sygnałów, jest tzw. Odbiornikiem pasywnym, korzystanie z systemu jest dla użytkownika bezpłatne, w ostateczności ponoszone są z tego tytułu koszty są niewielkie, satelita jest przystosowany do przenoszenia ładunków o przeznaczeniu wojskowym, satelita jest zabezpieczony przed promieniowaniem laserowym i uszkodzeniami mechanicznymi

3 W nawigacyjnych systemach satelitarnych można wyróżnić trzy segmenty: segment kosmiczny (satelity nawigacyjne) segment naziemny (zespół stacji zlokalizowanych na lądzie) segment użytkownika ( odbiorniki systemu)

4 segment kosmiczny Przez segment kosmiczny danego systemu należy rozumieć zbiór jego wszystkich satelitów, których liczba oraz parametry orbit okołoziemskich zależą od zasady działania systemu oraz od rozmieszczenia rozmieszczenia poszczególnych stacji segmentu naziemnego. Przyjęto że minimalna wysokość orbity będzie wynosiła 1000 km.

5 segment kosmiczny Do najważniejszych parametrów definiujących konfigurację segmentu kosmicznego Nawigacyjnego systemów satelitarnych można zaliczyć: wysokość orbity, kąt nachylenia płaszczyzny orbity do płaszczyzny równika (kąt inklinacji), sfazowanie wewnątrzorbitalne (intra-phase phasing), czyli kąt fazowy oddzielający satelity znajdujące się na tej samej orbicie, sfazowanie międzyorbitalne (inter-phase phasing), czyli kąt fazowy między j-ym satelitą na orbicie k a j-ym satelitą na orbicie k+1, rozmieszczenie orbit ( w długości geograficznej węzła wstepującego) i ich liczba, liczba satelitów operacyjnych i rezerwowych

6 segment kosmiczny Orbity satelitów Transit i Cikada o wysokości około 1000 km można zaliczyc do orbit niskich typu LEO. ( niskie bo wykorzystywano efekt Dopplera) W systemie o tego rodzaju orbitach nieprzerwane określenie pozycji w dowolnym miejscu na Ziemi możliwe było pod warunkiem, że liczba jego satelitów wynosi co najmniej od 50 do 60 ( praktycznie maksymalnie było ich 7). Z tego powodu wszystkie satelity działające obecnie w systemie GPS i GLONASS znajdują się na orbitach MEO (około km pomiar odległości od satelity, minimalna ilość satelitów 20.). Satelity na orbitach GEO stosuje się obecnie tylko w systemach wspomagających SBAS, które wykorzystywane są do transmisji poprawek.

7 segment kosmiczny Bardzo istotna dla kryterium widoczności satelitów w każdym miejscu na Ziemi jest liczba orbit i liczba satelitów na poszczególnych orbitach. ( dla kilkunastu satelitów najekonomiczniej jest większa liczba orbit (5-6) a jeżeli satelitów jest więcej niż 24 to tylko 3 orbity (β co 120 stopni) lub 6 (β co 60 stopni))

8 segment kosmiczny Bardzo istotna dla kryterium widoczności satelitów w każdym miejscu na Ziemi jest liczba orbit i liczba satelitów na poszczególnych orbitach. ( dla kilkunastu satelitów najekonomiczniej jest większa liczba orbit (5-6) a jeżeli satelitów jest więcej niż 24 to tylko 3 orbity (β co 120 stopni) lub 6 (β co 60 stopni)) O konfiguracji satelitów decyduje również rozmieszczenie satelitów na poszczególnych orbitach.

9 segment kosmiczny Istotnym parametrem jest liczba satelitów operacyjnch.

10 segment kosmiczny Satelita operacyjny systemu nawigacyjnego powinien być wyposażony w odpowiedni zestaw urządzeń i podsystemów, z których najważniejsze to: blok nadawczy zapewniający nieprzerwaną emisje sygnałów nawigacyjnych o określonych parametrach, blok odbiorczy umożliwiający odbiór sygnałów przekazywanych przez segment naziemny, antena o odpowiednio dobranej charakterystyce, stanowiące integralną całość z blokiem nadawczym oraz z blokiem odbiorczym, blok kontroli i sterowania pracą wszystkich podzespołów, odpowiednio zaprogramowany komputer pokładowy, blok zapewniający właściwe zorientowanie satelity względem Ziemi i jednocześnie położenie na orbicie, bloki kontroli czasu, temperatury itp., źródło energii zapewniające funkcjonowanie wszystich podzespołów satelity

11 segment kosmiczny

12 segment kosmiczny

13 segment kosmiczny

14 segment naziemny Przez segment naziemny systemu satelitarnego należy rozumieć zlokalizowane na powierzchni Ziemi i uczestniczące w funkcjonowaniu systemu stacje śledzące, kontrolne, centrum obliczeniowe oraz stacje przesyłające informacje do satelitów, zwane inaczej stacjami uaktualniającymi bądź korygującymi.

15 segment naziemny Liczba tych stacji i ich rozmieszczenie uzależnione jest od: Wielkości i położenia geograficznego państwa sprawującego bezpośrednią kontrolę nad danym systemem oraz usytuowania terytoriów, wysp lub baz do niego należących bądź od niego zależnych, Zasad działania systemu Segmentu kosmicznego (liczby satelitów i ich orbit). Prawidłowy rozkład poszczególnych stacji segmentu naziemnego pozwala bowiem na ciągłą kontrole sygnałów wysyłanych przez satelity, szybkie wykrycie ewentualnych nieprawidłowości w ich działaniu oraz możliwość natychmiastowego nawiązania z nimi łączności.

16 segment naziemny

17 segment naziemny Do zadań segmentu naziemnego należy: Ustalanie i utrzymywanie orbit satelitów. Decydującą role odgrywają tu odpowiednio rozmieszczone na Ziemi stacje śledzące ruch satelitów, których powinno być co najmniej trzy. Stacje te odbierają sygnały na wszystkich częstotliwościach emitowanych przez satelitę dokonując jednocześnie wszelkich możliwych pomiarów. Centrum obliczeniowe systemu na podstawie tych pomiarów ekstrapoluje elementy orbity poszczególnych satelitów na najbliższe kilka lub kilkanaście godzin i przesyła je do stacji korygujących, a te z kolei do satelitów.

18 segment naziemny Do zadań segmentu naziemnego należy: Kontrola kondycji technicznej satelity. Celem tej kontroli jest nieprzerwane utrzymywanie we właściwym stanie wyposażenia technicznego, sensorów, wszystkich anten nadawczo odbiorczych i wszelkich innych urządzeń zamontowanych na satelicie. Elementy te bowiem są narażone na oddziaływanie czynników zakłócających ruch satelitów na orbicie takich jak: siły grawitacyjne Ziemi, Słońca, Księżyca, innych planet, wiatr słoneczny, opór atmosfery.

19 segment naziemny Do zadań segmentu naziemnego należy: Kierowanie i zarządzanie systemem. Proces kierowania systemem satelitarnym napotyka takie problemy jak: Ograniczony czas na wypracowanie komend i poleceń podtrzymującą właściwą pracę systemu, Konieczność zapewnienia radiowej transmisji między stacja a satelitą, Zrozumienie właściwych komend przez satelitę, Oddzielenie komend i poleceń jednego satelity od komend i poleceń dla innych satelitów.

20 segment naziemny Do zadań segmentu naziemnego należy: Obróbka telemetryczna. Polega ona na pomiarze i zbieraniu danych z satelity służących do dokładnej jego oceny. Ustalanie i przedstawienie wyników pomiaru. Czynnikiem decydujący o ocenie działania systemu przez segment naziemny jest analiza odebranych danych telemetrycznych, mająca na celu wykazanie, w jakim stopniu poszczególne elementy całego systemu wywiązują się z powierzonych im zadań.