Методы радиоуглометрии. Амплитудный, временной и фазовый методы радиоуглометрии

       Влияние местных геодезических координат на точность определения   места ВС с использованием СНС

       До тех пор, пока государства не перейдут на систему координат WGS-84, использование местных геодезических координат будет вносить дополнительную погрешность при определении места ВС. Данная погрешность обусловлена тем, что координаты пунктов маршрута определяются в местном референц-эллипсоиде, а бортовой приемник СНС определяет координаты места ВС в системе WGS-84.

       Одновременное использование двух различных систем координат приводит к дополнительной методической погрешности определения места ВС. Причем эта погрешность имеет изменяемый характер, что обусловлено как различием размеров местного референц-эллипсоида относительно эллипсоида, используемого в WGS-84, так и несовпадением центров координат местного и общеземного эллипсоидов. На рис. представленв методическая погрешность в определении места ВС при использовании референц-эллипсоида Красовского (системы координат 1942 г.) и системы координат WGS-84. Из рисунка видно, что для территории бывшего СССР величина погрешности находится в пределах 60 ÷140 м. (Величина погрешности вычислена на кафедре «Аэронавигация» Академии ГА).

     На  территории Индии, Пакистана,  Непала и Шри-Ланки при использовании координат референц-эллипсоида Эверест погрешность в определении места ВС может превысить 800 м, что практически на порядок выше погрешности СНС. Если при полете по маршруту погрешностью, обусловленной использованием различных систем координат, можно пренебречь, то при заходе на посадку эта погрешность может существенно повлиять на точность захода, если не используется дифференциальный вариант СНС.

 

Таблица 2

Значение параметров некоторых местных референц-эллипсоидов

 

Название рефе- ренц-эллипсоида	Год вычисления	Государства, использующие референц-эллипсоид	а, м	b, м	ƒ1
Красовского   Австралийский   Кларка   Эверест   Бесселе   Хейфорда	1940     1880   1830   1841   1909	СНГ и Балтии   Австралия, Папуа-Новая Гвинея   Алжир, Тунис, Израиль, Иордания, Ирак Индия, Пакистан, Непал, Шри-Ланка   Эфиопия, Индонезия, Япония, Корея, Намибия Южная Америка, Антарктида, Италия, Египет	6378245   6378160   6378249,145     6377276,345     6377397,155   6378388	6356863,01   6356771,13   6356514,87     6356075,42     6356078,96     6356911,95	298,3   298,25   293,465       300,8018     299,1528       297,0

 

      Разработчики бортового оборудования, например, TRIMBLE, GARMIN, зная о природе дополнительной погрешности, за счет использования различных систем координат, предусмотрели специальный режим MAP DATUM. Режим MAP DATUM позволяет выбрать эллипсоид, который соответствует для данного района полета. При введении конкретного эллипсоида в вычислителе бортового оборудования осуществляется пересчет координат места ВС, получаемых со спутников, из системы координат WGS-84 в координаты геодезической системы выбранного эллипсоида, тем самым методическая погрешность сводится к 0.

     В  практических целях интересно  знать, в каких случаях необходимо  вводить тот или иной эллипсоид  для устранения дополнительной  погрешности. Ответ на этот вопрос содержится в руководстве по эксплуатации бортового оборудования в разделе APPENDIX (ПРИЛОЖЕНИЕ). В том случае, когда для конкретной территории не указано наименование эллипсоида, то предпочтительней использовать WGS-84. Данная рекомендация относится и к территории бывшего СССР. Ввиду официального закрытия данных по ориентированию референц-эллипсоида Красовского в теле геоида, т.е. относительно системы координат WGS-84, в руководство по эксплуатации бортового оборудования СНС в режиме MAP DATUM отсутствует возможность выбрать этот эллипсоид.

     С  целью информирования пользователей  СНС, согласно  государства должны  в AIP (раздел GEN 2.1.3. Геодезическая система отсчета) указывать: «Краткое описание используемой геодезической системы координат, включая:

     1) название/обозначение системы (систем);

     2) район (районы) применения, и

     3) объяснения звездочки, используемой  для обозначения тех координат,  которые не отвечают требованиям  Приложений 4 и 15’’.

 

     Высота полета и волна геоида

 

    Оборудование  СНС на борту воздушного судна  определяет геометрическую высоту  относительно поверхности эллипсоида, используемого в WGS-84 (h). При определении абсолютной высоты полета с помощью барометрического высотомера (H_Б) используется уровень отсчета MSL (Mean Sea Level) – средний уровень моря, который определяет форму геоида. Так как поверхность эллипсоида и поверхность геоида могут не совпадать, то между h и H_Б (в стандартной атмосфере) возможна разница в высотах (рис.), которая называется волной геоида (N).

     Геометрическую  высоту над поверхностью геоида  называют ортометрической высотой  (H) и она совпадает в стандартной атмосфере с барометрической высотой (H_Б). Связь между геометрической высотой над эллипсоидом (h) и ортометрической высотой следующая:

H = h – N.

     При  использовании СНС для захода  на посадку выполнение маневра  по глиссаде возможно только  в том случае, если будет опубликована  высота аэродрома (H_A) и волна геоида (N). Таким образом, заход на посадку по глиссаде с использованием СНС возможен при наличии информации о геодезической высоте порога ВПП относительно эллипсоида WGS-84. В соответствии с положениями государства должны публиковать информацию о волне геоида с 5 ноября 1998 г.

                             

14.2. 6.  Основные  принципы  функционирования  спутниковых навигационных   систем   ГЛОНАСС и GPS

 

       В основе СНС заложен принцип  измерения расстояний до спутников.  Это значит, что для определения  местоположения ВС на земной  поверхности нужно измерить расстояние до каждого из группы спутников. Таким образом, спутники являются для нас точно известными опорными точками в пространстве. Это достигнуто тем, что орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS рассчитаны с очень высокой степенью точности и поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Измерение дальности до спутников происходит по аналогии с маяками для моряков, дальномерами ДМЕ – для летчиков, триангуляционными пунктами – для геодезистов. Если мы имеем точно известные координаты наземных радиодальномеров А и В, то отложив на карте две дальности Д₁ и Д₂ от этих известных точек, можно достаточно точно запеленговать место воздушного судна.

           Рис.14.15.

 

     Принцип  основан на том, что радиопередатчик  спутников ГЛОНАСС и GPS непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS/ГЛОНАСС – приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

     Для  определения пространственных координат  и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников.

     При  приеме навигационных радиосигналов  ГЛОНАСС и GPS, приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляет дальность «спутник-приемник». Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так для определения местоположения точки нужно знать координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту Н), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ.

                                                         Рис.14.16.

 

       Одновременно с проведением измерений  расстояний в приемнике  GPS/ГЛОНАСС выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

      Очевидно, что при данном методе  радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения  сигнала возможно лишь при  наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные «атомные» часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (10^-13). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому «системному времени». Эталон времени GPS/ГЛОНАСС - приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или «псевдодальность», а измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину времени несоответствия можно считать постоянной. 

      С математической точки зрения  это эквивалентно тому, что неизвестными  являются не только координаты  X, Y и Н, но и поправки часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех спутников, а до четырех. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y, H) и точное время

      Если приемник установлен на  движущемся объекте и наряду  с псевдодальностями измеряет  доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта относительно земной поверхности (путевая скорость). Таким образом, для выполнения необходимых расчетов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум четырех спутников.

     Современные GPS/ГЛОНАСС приемники имеют от 5 до 12 каналов приема сигналов от спутников. Прием сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяет повысить точность определения координат и обеспечить решения навигационных задач.

     Для  полного понимания, как функционируют спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, рассмотрим геометрическую интерпретацию на плоскости этот принцип. Этот принцип может быть объяснен следующим образом:

     Предположим,  что нам не известно наше  местоположение, но мы хотим установить его и известно расстояние от одного спутника , то мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг его.

 

Рис.14.17.

       Для примера, известная точная  дальность до спутника пусть  будет 20000 км, то в пространстве  существует геометрическое место точек, а именно шар, т.е. поверхность, на которой мы можем находиться в данный момент от спутника.

      Очевидно, что одно измерение  ставит нас на одну из множества  точек где-то на поверхности  воображаемой сферы радиусом  в 20000 км, в центре которой находится спутник.

     Если  в тот же момент времени  мы знаем, что расстояние до  второго спутника равно 21000 км, то геометрическое место точек  нашего возможного местоположения  в мировом пространстве сужается, т.к. место точек, где мы можем  находиться одновременно на удалении 20000 км от одного спутника и 21000 км от другого, является окружность, образованная пересечением двух сфер с заданными радиусами.

    

                                                        Рис.14.18.

 

       То есть, принимая одновременно сигнал от двух спутников, мы можем утверждать. То находимся где-то на линии окружности, образованной в результате пересечения двух сфер. Но двух спутников недостаточно для точного определения своего местоположения, т.к. область окружности определенной от этих спутников может достигать сотни, а то и тысячи километров.

       Для того чтобы вычислить точно  координаты определяемой точки,  нам необходимо знать расстояние  до третьего спутника – 22000 км.

      В результате пересечения третьей  сферы от спутника радиусом 22000 км с образованной теперь окружностью  от двух спутников мы получаем позицию с двумя возможными точками А и В, где мы могли бы находиться в мировом пространстве.

Рис.14.19.

       Для того, чтобы определить свое  точное местонахождение алгоритм  нашего приемника методом логического  исключения определяет, какая из двух точек А и В является истинной позицией приемника, т.е. исключает одну невозможную точку. Эта невероятная точка определяется в первую очередь высотой земной точки над поверхностью земного шара. Она будет находиться либо далеко в космическом пространстве, либо глубоко над Землей. Истинная же точка будет находиться в околоземном пространстве или на поверхности Земли, что и делает ее определяющей точное местоположение приемника.