120103 РП Космическая навигация 2011

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Сибирская Государственная Геодезическая Академия»
(ФГБОУ ВПО «СГГА»)
Кафедра астрономии и гравиметрии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_________________ В.А. Ащеулов
________________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
КОСМИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИЯ
Для подготовки
дипломированного специалиста направления 120100 – Геодезия
(специальность 120103 – Космическая геодезия)
код квалификации – 65 (инженер)
Новосибирск 2011 г.
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью преподавания дисциплины «Космическая навигация» для специальности
«Космическая геодезия», является получение студентами знаний о методах и средствах,
используемых в космической навигации для определения местоположения и ориентации
космических аппаратов, определения координат точек на поверхности Земли и в
пространстве с использованием глобальных спутниковых навигационных систем
ГЛОНАСС, GPS NAVSTAR, GALILEO и др.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
В результате изучения дисциплины «Космическая навигация» студенты должны:
- получить представление о методах и инструментальных средствах навигации
ИСЗ, КА, АМС и космических станций с космонавтами на борту;
- изучить теорию и основные принципы астроинерциальной навигации;
-изучить
принципы
функционирования
глобальных
спутниковых
радионавигационных систем (СРНС);
- изучить методы создания эфемеридного обеспечения СРНС и реализации на
этой основе орбитального и упрощенного орбитального методов космической геодезии;
- знать основы формирования навигационных сигналов и передачи информации
в СРНС ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR;
- знать устройство и принципы работы аппаратуры потребителей, типы
приемников и работу с ними для абсолютных, дифференциальных и относительных
определений координат пунктов;
- уметь самостоятельно определять координаты пунктов всеми указанными
методами;
- владеть методами определения и дифференциального уточнения орбит
навигационных спутников;
- уметь применять полученные знания и навыки при решении различных
геодезических задач.
Выписка из Государственного образовательного стандарта профессионального
высшего образования по направлению 120100 – «Геодезия» (120103 – «Космическая
геодезия»), утвержденным Министерством образования РФ 17.03.2000
СД.02
Космическая навигация
294
космическая навигация; методы навигации: астрономическая, инерциальная,
астроинерциальная; элементы и устройства навигационных систем; оптические
приборы для ориентации и навигации; построение местной вертикали; оптические
приборы ориентации по звездам; комплексные системы навигации;
проектирование орбит навигационных спутников Земли; математические модели
каналов измерений и движения ИСЗ; коррекция орбит;
понятие динамической системы и вектора состояния; идентификация и оценка
состояния динамических систем; нелинейные дифференциальные уравнения в
вариациях, линеаризация в окрестностях опорной траектории; линейные уравнения
каналов измерения; наблюдаемость; задачи оптимизации;
схемы построения координатно-измерительных комплексов для обеспечения
работы спутниковых навигационных систем; построение математических моделей
бортовых и наземных измерительных систем; определение эталонной орбиты ИСЗ и
координат потребителя по результатам наблюдений;
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
определение ориентации космического аппарата по данным бортовых
видеоизображений поверхности небесного тела и участков звездного неба;
автоматизированное распознавание звезд;
спутниковые навигационные системы; основы использования спутниковых
навигационных систем в геодезии; бортовые сегменты; определение времени;
синхронизация; принципы наблюдений и структура сигнала; эфемериды; вычисление
бортового времени и координат ИСЗ; наземные приемники (сегмент потребителя);
псевдодальности; искажения сигнала тропосферой;
практические аспекты полевых наблюдений; построения с двумя приемниками;
создание СНС-сетей; дифференциальный метод; применение СНС для кадастра,
геодинамики и морской геодезии;
принципы функционирования СНС «Глонасс» и «Навстар ГПС»; общности и
различия функционирования этих СНС; перспективы развития и повышения точности
СНС-определений;
космическая
радионавигация;
радиотехнические
методы
измерения
навигационных параметров; погрешности измерений, вносимые внешней средой;
частотные и фазовые измерения навигационных параметров; аппаратурные реализации
и погрешности радионавигации;
СНС « ГЛОНАСС», принципы ее функционирования; СНС «НАВСТАР ГПС»;
совместное использование СНС «ГЛОНАСС» и «НАВСТАР ГПС»;
оптико- электронные системы и лазерная техника; теория излучения и источники
излучения; атмосферные влияния; основные принципы устройства приборов для
измерений излучения; детекторы излучения; приборы дистанционного зондирования;
спектрорадиометры;
многоспектральные
построчно-прямолинейные
сканеры;
фотографические системы; пленка как детектор; телевизионные системы;
лазерная техника в космической геодезии; общие принципы использования
лазерных дальномеров в космической геодезии; монохроматическое излучение;
генерация ультракоротких импульсов; селекция сигналов; помехи (фоновое излучение
Солнца, облачность); распространение излучения в атмосфере; зависимость показателя
преломления от различных факторов; принципы устройства лазерных дальномеров;
передатчики лазерных дальномеров; компоненты оптических лазерных передатчиков;
приемники лазерных дальномеров и их оптические системы; уголковые отражатели;
общая схема лазерного дальномера; газовые лазеры; лазерный гравиметр; лазерный
гироскоп;
определение орбит космических аппаратов; фундаментальное уравнение
определения орбит по результатам траекторных измерений; линеаризация
фундаментального уравнения; изохронные производные и методы их вычисления;
свойства изохронных производных; мультипликативный интеграл; методы
предварительного определения орбит по необходимому числу измерений; метод
итераций по истинной аномалии или фокальному параметру; область применения
классических методов предварительного определения орбит (Гаусса, Лапласа);
дифференциальное уточнение орбит; уравнения поправок относительно координат и
скорости, относительно оскулирующих элементов орбиты; вычисление свободных
членов уравнений поправок; структура правых частей дифференциальных уравнений
движения ИСЗ; понятие адекватности моделей движения; проблема наблюдаемости
начальных условий движения при различных составах измерительной информации;
ньютоновский итерационный процесс; теоремы о его сходимости
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
3. ОБЪЁМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные работы (ЛР)
Курсовой проект
Самостоятельная работа
Количество расчётно-графических
работ
Вид итогового контроля
(зачет, экзамен)
Всего
часов
294
162
87
58
17
132
Семестры
8 (12 нед.)
9 (17 нед.)
104
190
60
102
36
51
24
34
17
44
88
3
5
экзамен
экзамен
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1
Раздел дисциплины
Введение. Предмет космической навигации
Лекц
ии
4
14
ЛР
6
5
Принципы построения систем космической навигации
Принципы функционирования СНС «Глонасс» и «Навстар
ГПС».
Космическая радионавигация. Радиотехнические методы
измерения навигационных параметров.
Основы использования спутниковых навигационных систем
6
Обработка результатов наблюдений спутников ГЛОНАСС и GPS
12
6
7
Определение орбит космических аппаратов
8
-
8
Определение ориентации космического аппарата
4
-
9
Астрономическая, инерциальная, астроинерциальная навигация
4
-
10
Лазерная техника в космической геодезии
5
-
4.2.
Содержание разделов дисциплины
2
3
4
14
12
10
6
12
18
1. Введение. Космическая навигация: предмет и задачи. Роль и значение
космической навигации в решении основных геодезических задач. Методы навигации:
космическая радионавигация, астрономическая, инерциальная, астроинерциальная.
Элементы и устройства навигационных систем. Оптические приборы для ориентации
и навигации; построение местной вертикали; оптические приборы ориентации по
звездам; комплексные системы навигации.
2. Принципы построения систем космической навигации. Спутниковые
навигационные системы. Общие принципы функционирования глобальных
спутниковых радио-навигационных систем. Проектирование орбит навигационных
спутников Земли. Наиболее важные показатели космических навигационных систем.
Математические модели каналов измерений и движения ИСЗ; коррекция орбит.
Схемы построения координатно-измерительных комплексов для обеспечения работы
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
спутниковых навигационных систем. Бортовые сегменты. Определение времени;
синхронизация. Принципы наблюдений и структура сигнала. Построение
математических моделей бортовых и наземных измерительных систем. Определение
эталонной орбиты ИСЗ и координат потребителя по результатам наблюдений.
Навигационные параметры. Определение координат навигационных ориентиров.
Методы и алгоритмы решения навигационной задачи.
3. Принципы функционирования СНС «Глонасс» и «Навстар ГПС». СНС «
ГЛОНАСС», принципы ее функционирования. СНС «НАВСТАР ГПС». Совместное
использование СНС «ГЛОНАСС» и «НАВСТАР ГПС».
Навигационные радиосигналы ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR. Частотный план.
Структура навигационных сигналов. Использование широкополосных шумоподобных
радиосигналов для передачи информации. Помехоустойчивость. Псевдослучайные
последовательности. Принципы формирования дальномерных кодов и навигационной
информации. Модуляция радионавигационного сигнала. Спектры транслируемых
радиосигналов. Характеристики радиолиний передачи данных.
Навигационные сообщения ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR. Способы описания
движения навигационных ИСЗ на относительно коротких интервалах времени. Состав
и структура кадров навигационных данных. Эфемериды; вычисление бортового
времени и координат ИСЗ. Оперативная эфемеридная информация и альманах.
Алгоритмы вычисления положения и скорости спутника по данным альманаха.
Алгоритмы вычисления положения и скорости спутника по оперативной эфемеридной
информации.
Наземные приемники (сегмент потребителя). Типы спутниковых приемников
потребителей.
Одноканальные
приемники.
Мультиплексные
приемники.
Многоканальные приемники. Кодовые и фазовые приемники. Особенности построения
приемной аппаратуры для совместного использования систем GPS и ГЛОНАСС.
Общности и различия функционирования этих СНС. Перспективы развития и
повышения точности СНС-определений.
4. Космическая радионавигация. Радиотехнические методы измерения
навигационных параметров. Частотные и фазовые измерения навигационных
параметров.
Кодовые и фазовые псевдодальности. Математические модели,
линеаризация геометрических дальностей. Погрешности измерений, вносимые внешней
средой. Искажения сигнала тропосферой. Аппаратурные реализации и погрешности
радионавигации.
5. Основы использования спутниковых навигационных систем. Основы
использования спутниковых навигационных систем в геодезии. Системы отсчета,
применяемые в космической навигации Классификация координатных систем.
Взаимосвязь систем координат. Принципы преобразования пространственных
координат.
Практические аспекты полевых наблюдений. Автономный (абсолютный),
дифференциальный метод и относительный метод. Геометрический фактор ослабления
точности определения координат потребителя. Построения с двумя приемниками.
Создание СНС-сетей. Ошибки относительных координатных определений.
Стандартные форматы обмена спутниковыми данными RINEX, SP3, RTCM,
CMR, SINEX.
Понятие об активных сетях непрерывно действующих референцных спутниковых
станций. Разновидности активных сетей референцных спутниковых станций.
Структурные схемы функционирования этих сетей. Состав аппаратно-программного
обеспечения референцных спутниковых станций и центра управления системой станций.
Организация взаимодействия потребителей спутниковой информации с сетями
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
непрерывно действующих референцных спутниковых станций. Централизованная и
распределенная обработка спутниковой информации. Концепция виртуальной базовой
станции. Современное состояние, перспективы развития и повышения точности наземных
сетей непрерывно действующих референцных спутниковых станций.
Применение СНС для кадастра, геодинамики и морской геодезии.
6. Обработка результатов наблюдений спутников ГЛОНАСС и GPS. Понятие
динамической системы и вектора состояния; идентификация и оценка состояния
динамических систем; нелинейные дифференциальные уравнения в вариациях,
линеаризация в окрестностях опорной траектории; линейные уравнения каналов
измерения; наблюдаемость; задачи оптимизации.
7. Определение орбит космических аппаратов. Фундаментальное уравнение
определения орбит по результатам траекторных измерений; линеаризация
фундаментального уравнения; изохронные производные и методы их вычисления;
свойства изохронных производных; мультипликативный интеграл; методы
предварительного определения орбит по необходимому числу измерений; метод
итераций по истинной аномалии или фокальному параметру; область применения
классических методов предварительного определения орбит (Гаусса, Лапласа);
дифференциальное уточнение орбит; уравнения поправок относительно координат и
скорости, относительно оскулирующих элементов орбиты; вычисление свободных
членов уравнений поправок; структура правых частей дифференциальных уравнений
движения ИСЗ; понятие адекватности моделей движения; проблема наблюдаемости
начальных условий движения при различных составах измерительной информации;
ньютоновский итерационный процесс; теоремы о его сходимости.
8. Определение ориентации космического аппарата. Параметры ориентации
космического аппарата. Определение ориентации космического аппарата по данным
бортовых видеоизображений поверхности небесного тела и участков звездного неба;
автоматизированное распознавание звезд.
9. Астрономическая, инерциальная, астроинерциальная навигация. Оптикоэлектронные системы и лазерная техника; теория излучения и источники излучения;
атмосферные влияния; основные принципы устройства приборов для измерений
излучения; детекторы излучения; приборы дистанционного зондирования;
спектрорадиометры; многоспектральные построчно-прямолинейные сканеры;
фотографические системы; пленка как детектор; телевизионные системы.
10. Лазерная техника в космической геодезии. Общие принципы использования
лазерных дальномеров в космической геодезии; монохроматическое излучение;
генерация ультракоротких импульсов (генераторы добротности); селекция сигналов;
помехи (фоновое излучение Солнца, облачность); распространение излучения в
атмосфере; зависимость показателя преломления от различных факторов; принципы
устройства лазерных дальномеров; передатчики лазерных дальномеров; компоненты
оптических лазерных передатчиков;
приемники лазерных дальномеров и их
оптические системы; уголковые отражатели; общая схема лазерного дальномера;
газовые лазеры; лазерный гравиметр; лазерный гироскоп.
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
5.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
№ п/п
1
2
3
4
5
6
№ раздела
Наименование лабораторных работ
дисциплины
2
Изучение техники работы на приемниках потребителя
ГЛОНАСС и GPS:
- приемник Ensign фирмы Trimble Navigation
- приемники GPS II Plus и GPS III Plus фирмы Garmin.
- трехкоординатные комплексы ИГ-3К, «ТРИО-X,Y,H»
- геодезическая приемная аппаратура 4000SSE и 5700 фирмы
Trimble Navigation.
2, 3, 5
Аппаратура «Геодезия» РИРВ.
3,5
Программный пакет «BL-L/G for Windows» v. 2.X.
Постпроцессорная обработка измерений геодезических
GPS/ГЛОНАСС-приемников.
4
Определение координат базовой станции и их
ковариационных матриц в общеземной системе WGS-84;
6
Учет движений тектонических плит при обработке ГНСС
наблюдений
4,6
Решение базовой линии по наблюдениям приемников разных
компаний и с использованием точных эфемерид и координат
начального пункта.
7
8
5,6
5
9
5
Компоненты базовых линий и их ковариационные матрицы.
Трансформирование координат при использовании GPSтехнологий в геодезии
Курсовая работа: «Построение спутниковых геодезических
сетей»
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1.Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в
геодезии (том 1). – М.: Картгеоцентр; Новосибирск: Наука. – 2005. – 334 с
2. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в
геодезии (том 2). – М.: Картгеоцентр; Новосибирск: Наука. – 2006. – 360 с
3. Антонович К.М. Космическая навигация. Часть 2. (методические указания. –
Новосибирск: СГГА. – 2011. – 36 с.
4. Синякин А.К., Кошелев А.В. Физические принципы работы GPS/ГЛОНАСС. –
Новосибирск, СГГА. – 2009.
Электронный ресурс: http://lib.ssga.ru – официальный сайт научно - технической
библиотеки СГГА.
1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в
геодезии (том 1). – М.: Картгеоцентр; Новосибирск: Наука. – 2005. – 334 с.
2. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в
геодезии (том 2). – М.: Картгеоцентр; Новосибирск: Наука. – 2006. – 360 с.
3. Антонович К.М. Космическая навигация. Часть 2. (методические указания. –
Новосибирск: СГГА. – 2011. – 36 с.
4. Синякин А.К., Кошелев А.В. Физические принципы работы GPS/ГЛОНАСС. –
ГОС ВПО 120100- Геодезия.
Специальность 120103 - Космическая геодезия.
СД.02 - Космическая навигация.
Новосибирск, СГГА. – 2009.
б) дополнительная литература
1. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и
ГЛОНАСС. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 272 с.
2. Генике, А.А., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения
местоположения GPS и ее применение в геодезии - М.: Картоцентр: Геодезиздат, 2004.
- 355 с.
3. Соловьев, Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения [Текст] / Ю.А.
Соловьев.– М. Эко-Трендз. – 2003. – 326 с.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Для выполнения расчётно-графических работ необходим компьютер с
установленной операционной системой Windows 98 и программами типа MATHCAD
или EXCEL.
Лаборатория кафедры астрономии и гравиметрии в СНИИГГиМС
(геодезический отдел), оснащенная современной спутниковой аппаратурой.
6.3. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория, оснащённая ГНСС аппаратурой и программным обеспечением для
обработки результатов измерений.
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки
дипломированного специалиста 120100 – Геодезия специальности 120103
«Космическая геодезия», утвержденного Министерством образования РФ17.03.2000 г.
Авторы: Антонович К.М. – д.т.н., профессор СГГА.
Программа рассмотрена на заседании кафедры астрономии и гравиметрии и
рекомендована к внедрению в учебный процесс.
Протокол № _________
от «______» __________2011__г.
Заведующий кафедрой
астрономии и гравиметрии
И.Г. Ганагина
Программа одобрена УМС ИГ и М
Протокол № _________
Председатель УМС
от «______» __________2011__г.
С.В. Середович