GPS-навигация

/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему:

'GPS навигация'

АННОТАЦИЯ

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается исследование орбитального движения спутников ГЛОНАСС методом имитационного моделирования на компьютере в программном продукте, написанном в среде MatLab, для представления сложного вычислительного материала в виде наглядного результата для получения качественных и количественных характеристик. Рассмотрены особенности общих принципов функционирования систем спутниковой навигации, интерфейс и структура навигационного сообщения. Произведён расчёт координат, орбит, скоростей, времени видимости и количества видимых спутников ГЛОНАСС по данным альманаха. Кроме того, выполнено технико-экономическое обоснование, расчёт основных экономических показателей, рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта.

ABSTRACT

In the given final qualifying work research of orbital movement of companions GLONASS by a method of imitating modeling on the computer in the form of the software product written in the environment of MatLab, for representation of a difficult computing material in the form of evident result for reception of qualitative and quantitative characteristics is considered. Features of the general principles of functioning of systems of satellite navigation, the interface and structure of the navigating message are considered. Calculation of coordinates, speeds, times of visibility and quantity of visible companions GLONASS according to the almanac is made. Besides the feasibility report, calculation of the basic economic parameters, are executed. Safety issues and ecological compatibility of the project are considered.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем

1.2 Общие представления о небесной сфере

1.3 Системы координат

1.4 Время

1.5 Движение навигационного спутника по орбите

1.6 Выводы по главе 1

2. СИГНАЛ НКА СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

2.1 Определение интерфейса

2.2 Структура навигационного радиосигнала

2.3 Описание интерфейса

2.4 Выводы по главе 2

3. СТРУКТУРА НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ

3.1 Назначение навигационного сообщения

3.2 Содержание навигационного сообщения

3.3 Структура навигационного сообщения

3.4 Оперативная информация навигационного сообщения

3.5 Неоперативная информация навигационного сообщения

3.6 Выводы по главе 3

4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРБИТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС

4.1 Файл ORBITA_GLONASS

4.2 Входные данные

4.3 Функция map

4.4 Функция read_Alm

4.5 Функция Gln_data_from_NA

4.6 Функция JD_data

4.7 Функция LLH_to_ECEF

4.8 Функция WGS84_to_PZ90

4.9 Функция ECEF_to_LLH

4.10 Функция GLN_satfind

4.11 Функция ris_vis_sat

4.12 Результаты выполнения файла ORBITA_GLONASS

4.13 Выводы по главе 4

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Обоснование необходимости проведения НИР

5.2 Определение трудоемкости проведения НИР

5.3 Расчет себестоимости проведения НИР

5.4 Построение ленточного графика проведения НИР

5.5 Выводы по главе 5

6. Безопасность и экологичность выпускной квалификационной работы

6.1 Характеристика объекта с точки зрения безопасности

6.2 Анализ опасных и вредных факторов

6.3 Мероприятия по защите от опасных и вредных факторов

6.4 Экологичность работы

6.5 Выводы по главе 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Рубеж XX-XXI веков выделяется двумя значимыми событиями. Глобальные спутниковые радионавигационные системы позиционирования становятся в ряд систем массового обслуживания, компьютер стал в неограниченных объемах доступен студентам. Действительно, спутниковая радионавигация применяется в авиации, управлении наземным и морским транспортом, геодезии, картографии, мониторинге газо и нефтепроводов, высотных сооружений, наблюдениям за смещением материков и многих других отраслях. При этом достигнуты точности определения координат от миллиметров до нескольких десятков метров. Мировое сообщество может пользоваться спутниковыми системами GPS и ГЛОНАСС безвозмездно. В стадии завершения находятся системы EGNOS и GALILEO, ориентированные только на гражданских потребителей. Следует ожидать, что в 2009-2010 годах спутниковая радионавигация будет присутствовать в каждом мобильном телефоне.

Среди компьютерных технологий выделяется система MatLab, имеющая открытые программные коды и позволяющая решить практически любую вычислительную задачу. Руководство пользователя системой MatLab содержит более 4000 страниц, значительная часть которых переведена на русский язык. Достаточно обратиться к библиографии книг [17, 18].

Целью данной ВКР является получение модели орбитальной группировки спутников системы ГЛОНАСС в программной среде MatLab.

Задачи: изучить общие характеристики спутниковых систем навигации, интерфейс ГЛОНАСС и структуру навигационных данных; написание программы орбитального движения спутников ГЛОНАСС в среде MatLab, с возможностью определения координат, скоростей, времени видимости и количества видимых спутников ГЛОНАСС по данным альманаха.

1. СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

спутниковый радиосигнал навигационный орбитальный

1.1 Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем

Спутниковые радионавигационные системы представляют собой всепогодные системы космического базирования и позволяют в глобальных масштабах определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а как же осуществлять точную координацию времени.

Принцип действия систем заключается в том, что навигационные спутники излучают специальные электромагнитные сигналы. Аппаратура потребителей, расположенная на объектах, находящихся на поверхности Земли или околоземном пространстве принимает эти сигналы и после специальной обработки вырабатывает данные о местоположении и скорости объекта. На рис. 1.1 представлена спутниковая радионавигационная система как высокотехнологичная информационная система, состоящая из пяти основных сегментов.

Рисунок 1.1 Организация спутниковой радионавигационной системы

Наземный управляющий сегмент включает в себя центр управления космическим сегментом, станции слежения за навигационными спутниками (радиолокационные и оптические), аппаратуру контроля состояния навигационных спутников. Управляющий сегмент решает задачи определения, прогнозирования и уточнения параметров движения навигационных спутников, формирования и передачи в бортовую аппаратуру спутников цифровой информации, а также ряд контрольных и профилактических функций. Космический сегмент представляет собой систему навигационных спутников, вращающихся по эллиптическим орбитам вокруг Земли. На каждой орбите находятся несколько спутников. Навигационный спутник имеет на борту радиоэлектронную аппаратуру, излучающую в направлении Земли шумоподобные непрерывные радиосигналы, содержащие информацию необходимую для проведения навигационных определений с помощью аппаратуры потребителя.

Благодаря достаточному количеству навигационных спутников и специальным параметрам радиосигналов аппаратура потребителя может в любое время, при любых погодных условиях принимать излученные спутниками сигналы и определять местоположение, скорость и время.

Сегмент пользователей потенциально может состоять из неограниченного количества спутниковых навигационных приемников, которые принимают сигналы навигационных спутников и производят расчеты текущего местоположения, скорости и времени с погрешностями, определяемыми спутниковой навигационной системой и аппаратурой потребителя. Сегменты наземных и космических функциональных дополнений представляет собой аппаратурно-программные комплексы, предназначенные для обеспечения точности навигационных определений, целостности, непрерывности, доступности и эксплуатационной готовности системы.

1.2 Общие представления о небесной сфере

Наблюдатель на Земле может представить воображаемую сферу произвольного радиуса с центром в глазу наблюдателя, на поверхность которой проецируются изображения небесных тел. На рис. 1.2 - 1.5 представлена условная поверхность называема небесной сферой.

Рисунок 1.2 Небесная сфера с точки зрения наблюдателя с Земли

Рисунок 1.3 Небесный экватор и небесный меридиан

Рисунок 1.4 Координаты любой звезды или светила в экваториальной системе координат и название позиционных точек

Рисунок 1.5 Кажущееся годовое движение Солнца по эклиптике

Рисунок 1.6 Земной шар

Склонением небесного светила называется угол между направлением из центра небесной сферы на данное светило и плоскостью небесного экватора.

1.3 Системы координат

Для описания движения навигационного спутника используется геоцентрическая инерциальная система координат (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 Геоцентрическая инерциальная система координат

Второй используемой системой координат является геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная система на рис. 1.8. Поскольку Земля вращается, то эта система координат также вращающаяся.

Угол между осями ОХ₀ и ОХ обозначаемый далее через S соответствует гринвичскому звездному времени.

Рисунок 1.8 Геоцентрическая вращающаяся прямоугольная система

Можно выделить три понятия: местная, геоцентрическая инерциальная (рис. 1.7) и геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная (рис. 1.8).

В местной системе координат, традиционно, национальные топографические службы определяли форму поверхности Земли наиболее точно соответствующую территории государства в качестве базиса для картографии.

Геоцентрические системы координат: инерциальная и гринвичская (вращающаяся) применяются в спутниковой радионавигации.

Связь между инерциальной и вращающейся системами координат дается соотношениями:

, ,(1.1)

, ,(1.2)

,(1.3)

где ; - гринвичское звездное время; - скорость вращения Земли; X, Y, Z - координаты инерциальной системы; x, у, z - координаты гринвичской системы; Vx, Vу, Vz - скорости вдоль соответствующих осей в инерциальной системе; x, у, z - скорости вдоль соответствующих осей в гринвичской системе.

Геодезическая основа тесно связана с формой поверхности Земли.

Как известно на ранней стадии считалось, что Земля имеет форму шара. Позднее в качестве фигуры Земли был принят эллипсоид. Это геометрические приближения. Вообще же форма Земли есть геоид - динамическая уровненная поверхность эквипотенциальная гравитационному полю Земли. Определение формы геоида является одной из основных задач геодезии. Форма геоида прежде всего важна для определения высоты.

Геоид определятся, как идеализированная поверхность океана, проходящая под материками. Эта поверхность совпадает с двумя третями поверхности Земли.

На практике форму геоида определяют по наблюдениям за 'средним уровнем моря'. При этом имеет место отклонения от идеализируемого геоида, достигающего до 2 метров, связанные с ветрами, изменением состава воды.

Не смотря на то, что Земля как геоид хорошо изучена и продолжает изучаться и исследоваться, поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом. На рис. 1.9 изображена такая аппроксимация.

Высота над поверхностью геоида называется 'ортометрической высотой'. Ортометрическая высота Н определяется формулой

,

где h - высота над эллипсоидом; N - высота волны геоида.

Рисунок 1.9 Земля как геоид

Поскольку геоид математически описать достаточно сложно, то поверхность Земли аппроксимируют эллипсоидом. Эллипсоид получают при вращении меридианного эллипса вокруг его малой оси. Форма эллипсоида описывается геометрическими параметрами: большой полуосью a, малой полуосью b. Вместо b используют также параметр , называемый сплюснутостью.

Рассмотрим эллипсоидные географические координаты и пространственную эллипсоидную систему координат.

Эллипсоидальных географические координаты (рис. 1.10) определяют следующим образом: начало системы координат 'О' - центр массы Земли; географическая (геодезическая) широта - угол в меридианной плоскости между экваториальной плоскостью ХОУ и нормалью к поверхности эллипсоида в точке Р; географическая (геодезическая) долгота - угол в экваториальной плоскости между гринвичским меридианом и плоскостью меридиана, проходящий через точку Р.

Рисунок 1.10 Определение эллипсоидных географических координат

Пространственная эллипсоидная система координат (рис. 1.11) характеризуется тем, что эллипсоидная географическая система координат дополняется параметрами, обеспечивающими определение высоты h над эллипсоидом. При этом любая точка в пространстве задается координатами , , h и формой эллипсоида (а, f).

Высота h над эллипсоидом измеряется вдоль нормали к его поверхности.

Рисунок 1.11 Пространственная эллипсоидная система координат

Таким образом, мы имеем общее представление о системах координат, геодезических основах, опорных геодезических основах.

1.4 Время

В спутниковой радионавигации время играет исключительное значение, поскольку основные навигационные определения производятся по формулам, в которых параметр времени присутствует многократно. Это прежде всего время распространения электромагнитного сигнала от навигационного спутника до потребителя, время 'включения' часов спутника, время синхронизации данных передаваемых со спутника, время прохождения электромагнитного сигнала через атмосферу, влияние на время релятивистских эффектов, совмещение шкал времени спутника и потребителя и многое другое.

За единицу измерения времени удобно принимать сутки - время одного обращения Земли вокруг своей оси. В астрономии существуют две единицы времени под названием сутки: звездные сутки и солнечные сутки. Звездные сутки определяются интервалом времени между двумя прохождениями нулевого меридиана через точку весеннего равноденствия у. Солнечные сутки определяются интервалом времени между двумя прохождениями нулевого меридиана через центр видимого Солнца.

Системы всемирного времени. В Астрономическом ежегоднике СССР, начиная с выпуска 1986 года, принята стандартная эпоха 12000,0 в соответствии с резолюцией МАС о введении новой стандартной эпохи, в которой рекомендуется: новой стандартной эпохой (обозначаемой J2000,0) считать дату 2000 год, январь, совпадающую с юлианской датой JD 2451545,0; новое стандартное равновесие соответствует этому моменту; единицей времени, используемой в фундаментальных формулах учета прецессии, считать юлианское столетие в 36525 суток; эпохи (моменты) начала года должны отличаться от стандартной эпохи на величины, кратные юлианскому году, равному 365,25 суток.

Новая стандартная эпоха отстоит точно на одно юлианское столетие от фундаментальной эпохи 1900 года, январь 0,12^h ЕТ, принятой ранее в планетных теориях Ньютона. Любая эпоха может быть определена в новой системе как

J[2000,0 + (JD - 2451545,0)/365,25],

где JD означает заданную юлианскую дату. При необходимости использования прежней, бесселевой системы, основанной на тропическом годе эпохи 1900,0 как единице измерения времени, имеем для той же заданной юлианской даты:

В[1900,0 + (JD - 2415020,31352) / 365.242198781],

где единицей измерения служит продолжительность тропического года (365,242198781) в эпоху В1900.0 (2415020.31352).

Всемирное время - это среднее солнечное время на гринвичском меридиане.

Основные определения [16]: всемирное время (среднее гринвичское время) измеряется часовым углом среднего Солнца относительно гринвичского меридиана, увеличенным на 12^h; земное динамическое время измеряется часовым углом динамического среднего Солнца относительно эфемероидного меридиана, увеличенным на 12^h; местное среднее время измеряется часовым углом среднего Солнца относительно местного меридиана, увеличенным на 12^h; гринвичское звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно гринвичского меридиана; динамическое звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно эфемероидного меридиана; местное звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно местного меридиана.

Соответствующая система измерения времени - система всемирного времени - обозначается UT (Universal Time).

В каталогах указывают гринвичское среднее звездное время в 0^h всемирного времени.

В настоящее время различают следующие системы всемирного времени: UT0 - всемирное время, непосредственно получаемое из астрономических наблюдений суточных движений звезд - время на мгновенном гринвичском меридиане, положение которого определено мгновенным положением полюсов Земли; UT1 - всемирное время среднего гринвичского меридиана, определяемого средними положениями полюсов Земли. Оно получается исправлением значений UT0 при помощи поправки из-за движения географических полюсов:

. (1.4)

Поправка зависит от координат мгновенного полюса x_р, у_р, отсчитываемых относительно общепринятого Международного условного начала (СIO, МУН) и имеет вид:

,(1.5)

где и - координаты места наблюдения; UT2, UT1 - всемирное время среднего гринвичского меридиана, освобожденное от влияния части сезонных периодических вариаций угловой скорости вращения Земли прибавлением к значениям UT1 соответствующей сезонной поправки

.(1.6)

1.5 Движение навигационного спутника по орбите

Движение планет и искусственных спутников в пространстве осуществляется по законам небесной механики. Движение искусственных спутников можно оценивать и рассматривать как возмущенное, так и невозмущенное. Невозмущенным движением называется движение под действием сил одного притягивающего центра.

Под возмущенным движением понимают движение спутника, на который помимо силы притяжения Земли, действуют другие возмущающие силы: воздушные поля, притяжения Земли из-за не сферичности и различной плотности, влияния центра масс других планет, сопротивление окружающей среды и прочее.

При невозмущенном движении навигационного спутника его траектория, называемая орбитой описывается уравнением в полярной системе координат r, .

,(1.7)

где: r - радиус вектора; e - эксцентриситет; - полярный угол; р - фокальный параметр.

Уравнение (1.7) при есть окружность, при - парабола, - гипербола, при - эллипс.

Навигационные спутники движутся по эллиптическим орбитам . Рассмотрим рис. 1.12. На рисунке изображена эллиптическая траектория навигационного спутника. Траектория лежит в плоскости, проходящей через центр Земли. Центр масс Земли является одним из фокусов эллипса. Плоскость, в которой расположен эллипс называется орбитальной.

Рисунок 1.12 Ориентация орбитальной плоскости

Ориентация орбитальной плоскости характеризуется ее расположением относительно плоскости экватора, восходящим и нисходящим узлами; долготой восходящего узла и наклонением орбиты.

Прямую, пересечения обеих плоскостей называют линией узлов. Узлами орбиты являются две точки ее пересечения с плоскостью экватора (U и D соответственно). Точка U - восходящий узел, характеризует пересечение плоскости экватора при движении спутника из южной полусферы в северную; точка D - нисходящий узел, характеризует пересечение плоскостей экватора при движении спутника из северной полусферы в южную.

Долгота восходящего узла - отсчитывается в плоскости экватора от оси ОХ до линии ( лежит в пределах 0...360°). Наклонение орбиты i - двухгранный угол между экваториальной и орбитальной плоскостями (i лежит в пределах 0....180°), отсчитываемый против часовой стрелки для наблюдателя, находящегося в точке восходящего узла.

Орбиту называют полярной при i = 90°; экваториальный при i = 0°; наклонной при 0 < i < 90°.

Рассмотрим элементы орбиты спутника в орбитальной плоскости на рис. 1.13. В одном из фокусов эллипса (точка О) находится центр масс Земли. Прямая, проходящая через фокусы эллипса называется линией апсид. Точки пересечения линии апсид с эллипсом называют апсидами. Ближайшая апсида к центру масс Земли (точка П) называется перигей, удаленная - (А) апогей. Угол между линией узлов и линией направлений в сторону перигея называется углом перигея - .

Рисунок 1.13 Эллиптическая орбита спутника

Кроме того, эллиптические орбиты характеризуются следующими параметрами: большой полуосью а; высотой апогея r_А; высотой перигея r_П; временем прохождения через перигей t_n.

1.6 Выводы по главе 1

1. Спутниковая радионавигационная система, как высокотехнологичная информационная система, состоит из пяти основных сегментов: наземный управляющий сегмент, космический управляющий сегмент, сегмент пользователей, сегменты наземных и космических функциональных дополнений.

2. В системе координат выделены три понятия: местная, геоцентрическая инерциальная (ECI) и геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная система координат (ECEF).

3. В спутниковой радионавигации время играет исключительно важное значение, поскольку основные навигационные определения производятся по формулам, в которых параметр времени присутствует многократно. Это прежде всего время распространения электромагнитного сигнала от навигационного спутника до потребителя, время 'включения' часов спутника, время синхронизации данных передаваемых со спутника, время прохождения электромагнитного сигнала через атмосферу, влияние на время релятивистских эффектов, совмещение шкал времени спутника и потребителя.

4. Движение можно оценивать и рассматривать как возмущенное, так и невозмущенное. Возмущенное движением - это когда движение спутника, на который помимо силы притяжения Земли, действуют другие возмущающие силы: притяжения Земли из-за не сферичности и различной плотности; влияния центра масс других планет; сопротивление окружающей среды и прочее. При невозмущенном движении навигационного спутника его траектория, называемая орбитой, описывается уравнением в полярной системе координат.

5. Навигационные спутники движутся по эллиптическим орбитам. Орбиту называют полярной при i = 90°; экваториальный при i = 0°; наклонной при 0 < i < 90°, где i - наклонение орбиты.

2. СИГНАЛ НКА СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

2.1 Определение интерфейса

Интерфейс между подсистемой космических аппаратов (ПКА) и навигационной аппаратурой потребителей (НАП) состоит из радиолиний L-диапазона частот (рис. 2.1). Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц).

Рисунок 2.1 Интерфейс НКА/НАП

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. НКА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные НКА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.

В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 НКА ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности.

Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями.

Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.

Сигнал стандартной точности является доступным для всех потребителей, которые оснащены соответствующей НАП и в зоне видимости которых находятся спутники системы ГЛОНАСС.

2.2 Структура навигационного радиосигнала

Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым НКА системы ГЛОНАСС на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей осуществляется на n радиан с максимальной погрешностью не более ± 0,2 радиана.

Фаза несущего колебания поддиапазона L1 в НКА ГЛОНАСС и фазы несущих колебаний поддиапазонов L1 и L2 в НКА ГЛОНАСС-М модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного (ПС) дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр.

2.3 Описание интерфейса

Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов НКА ГЛОНАСС в частотных поддиапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями:

где К - номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НКА в частотных поддиапазонах L1 и L2, соответственно; для поддиапазона L1; для поддиапазона L2.

Распределение номеров К между НКА отображается в альманахе системы. Для каждого НКА рабочие частоты поддиапазонов L1 и L2 когерентны и формируются от общего стандарта частоты. Номинальное значение частоты этого стандарта, с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, равно 5,0 МГц. Для компенсации релятивистских эффектов частота, формируемая бортовым стандартом частоты, с точки зрения наблюдателя, находящегося на НКА, смещена относительно 5,0 МГц на относительную величину или Гц, то есть, равна 4,99999999782 МГц (величины даны для номинального значения высоты орбиты НКА, равного 19100 км). Отношение рабочих частот L1 и L2, излучаемых определенным НКА составляет:

Фактические значения несущих частот радиосигналов каждого НКА могут отличаться от номинальных значений на относительную величину, не превышающую .

На сегодняшнем этапе все, находящиеся в эксплуатации спутники ГЛОНАСС, используют номера частот К = (-7...+6).

Корреляционные потери. Корреляционные потери определяются разностью мощности, излучаемой передатчиком НКА в полосах

(1598,0625…1605,375) МГц ± 0,511 МГц,

(1242,9375…1248,625) МГц ± 0,511 МГц

и мощности, принятой идеальным корреляционным приемником в тех же полосах частот.

Корреляционные потери имеют наибольшее значение в случае, когда принимаемый радиосигнал имеет несущую частоту, соответствующую номерам К = -7 или К = 12. В этом случае корреляционные потери определяются не идеальностью модулятора передатчика НКА и составляют 0,6 дБ.

Для всех других литеров корреляционные потери, обусловленные искажением формы ПС сигнала, уменьшаются по мере удаления от краев полосы частот, занимаемой навигационными радиосигналами системы ГЛОНАСС.

Фазовые шумы несущей. Спектральная плотность фазовых шумов немодулированной несущей такова, что схема слежения, имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает точность слежения за фазой несущей частоты не хуже 0,1 радиан (среднеквадратическое значение).

Внеполосное излучение. Мощность, излучаемая каждым НКА за пределами полосы частот, отведенной для навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС, не превышает минус 40 дБ относительно мощности немодулированной несущей.

Внутрисистемные радиопомехи. Внутрисистемные радиопомехи определяются взаимокорреляционными свойствами используемого в составе навигационного радиосигнала дальномерного ПС кода с учетом частотного разделения сигналов. При приеме навигационного радиосигнала с литером частоты , помехи, создаваемые радиосигналом с номером частоты или , не превышают минус 48 дБ при условии одновременного нахождения НКА, излучающих эти сигналы, в зоне видимости.

Мощность радиосигналов, принимаемых потребителем. Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НКА ГЛОНАСС, на выходе приемной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ и при угле места 5° составляет не менее минус 161 дБВт для частот поддиапазона L1.

Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НКА ГЛОНАСС-М, на выходе приемной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ и при угле места 5° составляет не менее минус 161 дБВт для частот поддиапазона L1 и не менее минус 167 дБВт для частотного поддиапазона L2 с последующим доведением до уровня не менее минус 161 дБВт.

Групповая задержка навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре НКА. Определяется как задержка между излучаемым радиосигналом и выходным сигналом бортового стандарта частоты. Групповая задержка навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре включает детерминированную и недетерминированную составляющие.

Детерминированная составляющая групповой задержки радиосигнала не важна потребителю, поскольку не влияет на определение системного времени. Максимальное значение недетерминированной составляющей групповой задержки навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре НКА ГЛОНАСС не превышает ±8 нс, для НКА ГЛОНАСС-М ± 2 нс.

Формирование навигационного сообщения. Информация навигационного сообщения, формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения. Во второй части каждой строки в течение 0,3 с передаётся двоичный код метки времени.

Двоичная последовательность информации навигационного сообщения образуется в результате сложения по модулю два двух двоичных последовательностей: последовательности символов цифровой информации навигационного сообщения в относительном коде с длительностью символов 20 мс; последовательности меандра с длительностью символов 10 мс.

Двоичный код метки времени представляет собой укороченную двоичную ПС последовательность длиной 30 символов с длительностью символов 10 мс, которая описывается образующим полиномом и имеет вид 111110001101110101000010010110.

Первый символ цифровой информации в каждой строке всегда '0'. Он является 'холостым' и дополняет укороченную ПСП МВ предыдущей строки до полной (не укороченной) ПС последовательности.

Рисунок 2.4 Упрощенная структурная схема формирования последовательности данных

Рисунок 2.5 Временные соотношения между синхроимпульсами модулирующего навигационного сигнала и дальномерным кодом ПСПД

Рисунок 2.6. Формирование последовательности данных в процессоре спутника

Время системы ГЛОНАСС. Все НКА ГЛОНАСС оснащены высокостабильными стандартами частоты, суточная нестабильность которых составляет для НКА ГЛОНАСС и для НКА ГЛОНАСС-М. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников ГЛОНАСС составляет 20 нс, а спутников ГЛОНАСС-М 8 нс.

Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет . Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) не должна превышать 1 мс. Погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) не должна превышать 1 мкс.

Шкалы времени каждого НКА ГЛОНАСС периодически сверяются со шкалой времени ЦС. Поправки к шкале времени каждого НКА относительно шкалы времени ЦС вычисляются в ПКУ ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются на борт каждого НКА.

Погрешность сверки шкалы времени НКА со шкалой времени ЦС не превышает 10 нс на момент проведения измерений.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы Координированного всемирного времени UTC. Коррекция шкалы UTC на величину ±1с проводится Международным Бюро Времени (BIH/BIPM) по рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS). Коррекция шкалы UTC производится, как правило, с периодичностью 1 раз в год (в полтора года) в конце одного из кварталов: в 00 часов 00 минут 00 секунд полночь с 31 декабря на 1 января - 1-й квартал (или с 31 марта на 1 апреля - 2-й квартал, с 30 июня на 1 июля - 3-й квартал, с 30 сентября на 1 октября - 4-й квартал) и осуществляется одновременно всеми пользователями, воспроизводящими или использующими шкалу UTC.

Предупреждение о моменте и величине коррекции UTC заблаговременно (не менее чем за три месяца) сообщается пользователям в соответствующих бюллетенях, извещениях и другими способами. Спутники ГЛОНАСС не содержат в навигационных сообщениях данных о коррекции UTC. В навигационном кадре спутника ГЛОНАСС-M предусмотрено заблаговременное уведомление потребителей о факте, величине и знаке секундной коррекции UTC.

При коррекции UTC, в соответствии с рекомендациями BIH/BIMP, проводится одновременная коррекция системного времени ГЛОНАСС путем соответствующего изменения оцифровки последовательности секундных импульсов бортовых часов всех спутников ГЛОНАСС. При этом метка времени строки навигационного кадра ГЛОНАСС (передаваемая каждые 2 секунды) изменяет свое положение (на непрерывной шкале времени) для синхронизации с двух секундной эпохой скорректированной шкалы UTC. Это изменение происходит в 00 часов 00 минут 00 секунд UTC.

В результате периодического проведения плановой секундной коррекции, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) не существует сдвига на целое число секунд. Однако, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) существует постоянный сдвиг на целое число часов, обусловленный особенностями функционирования ПКУ:

3 часа 00 минут.

Для вычисления эфемерид НКА на момент измерений навигационных параметров используются следующие соотношения для определения времени в шкале UTC(SU):

3 часа 00 минут,

где t - время излучения сигнала по бортовой шкале времени.

Спутники ГЛОНАСС-М передают коэффициенты B1 и B2 для перехода к шкале всемирного времени UT1 и поправку для перехода к шкале времени системы GPS NAVSTAR.

Точность определения поправки составляет не хуже 30 нс (среднеквадратическое значение).

Система координат. Передаваемые каждым НКА системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90. Которая определяется следующим образом: начало координат расположено в центре масс Земли; ось Z направлена на условный полюс Земли; ось X направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана; ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Геодезические координаты точки в системе координат ПЗ-90 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Геодезические константы, параметры общеземного эллипсоида ПЗ-90

2.4 Выводы по главе 2

1. Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц.

2. Информация навигационного сообщения, формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения. Во второй части каждой строки в течение 0,3 с. передаётся двоичный код метки времени.

3. В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности для гражданских и военных потребителей соответственно.

4. Передаваемые каждым НКА системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90.

3. СТРУКТУРА НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ

3.1 Назначение навигационного сообщения

Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.

3.2 Содержание навигационного сообщения

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит: оцифровку меток времени НКА; сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения; эфемериды НКА и другие параметры.

Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя: данные о состоянии всех НКА системы; сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; параметры орбит всех НКА системы; сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU) и другие параметры.

3.3 Структура навигационного сообщения

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации, закодированной по коду Хемминга и преобразованной в относительный код. Структурно поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров. Суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк ЦИ.

Структура суперкадра. На рис. 3.1 приведена структура суперкадра.

Рисунок 3.1 Структура суперкадра навигационного сообщения ГЛОНАСС

Суперкадр имеет длительность 2,5 минуты и состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с.

В пределах каждого суперкадра передается полный объем неоперативной информации (альманах) для всех 24 НКА системы ГЛОНАСС.

Структура кадра. Навигационный кадр является частью суперкадра. Каждый навигационный кадр имеет длительность 30 с и состоит из пятнадцати строк длительностью 2 с каждая. В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного НКА и часть неоперативной ЦИ. На рис. 3.2 и на рис. 3.3 показаны структуры кадров в суперкадре.

Рисунок 3.2 Структура навигационных кадров с 1-го по 4-й кадр суперкадра

Рисунок 3.3 Структура навигационных кадров, 5-й кадр суперкадра

Навигационные кадры с первого по четвертый идентичны. Заштрихованные области на рис. 3.3, изображающем навигационный кадр, представляют собой резерв, предусмотренный на случай изменений и дополнений в структуре навигационного сообщения.

В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся в строках с первой по четвертую, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная информация). Эта информация в пределах суперкадра не меняется.

Строки с шестой по пятнадцатую каждого кадра заняты неоперативной информацией (альманах) для 24-х спутников системы: по пяти спутникам в кадрах с первого по четвертый и по четырем спутникам в пятом кадре. Неоперативная информация (альманах) для одного спутника занимает две строки. Информация пятой строки в кадре относится к неоперативной информации и повторяется в каждом кадре суперкадра.

Альманах системы ГЛОНАСС, передаваемый в пределах суперкадра, распределяется по навигационным кадрам как показано в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Распределение альманаха системы ГЛОНАСС по кадрам суперкадра

Структура информационной строки в кадре. Информационная строка является структурным элементом навигационного кадра. Структура информационной строки показана на рис. 3.4. Каждая строка содержит двоичные символы ЦИ и метку времени. Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает МВ в виде укороченной ПС последовательности ПСПМВ, состоящей из 30 символов длительностью 10 мс. Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц, сложенная по модулю два с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный код). Таким образом, каждая строка содержит 85 двоичных символов ЦИ. Нумерация позиций символов в строке осуществляется справа налево. Наряду с информационными символами (позиции 84-9) в каждой строке ЦИ передаются 8 проверочных символов (позиции 1-8) кода Хемминга (КХ), позволяющие производить проверку достоверности символов ЦИ в строке. Код Хемминга имеет кодовое расстояние равное четырем. Разделение строк ЦИ осуществляется с помощью меток времени (МВ). Слова ЦИ записываются старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В каждой строке последний символ (85 позиция) является 'холостым', он необходим для реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. В качестве 'холостого' символа принят '0'.

Рисунок 3.4 Структура информационной строки

3.4 Оперативная информация навигационного сообщения и эфемериды НКА

Количество разрядов, цена младшего разряда, диапазон значений и единицы измерения параметров эфемерид приведены в табл. 3.5. В словах, числовые значения которых могут принимать положительные и отрицательные значения, старший разряд является знаковым, символ '0' соответствует знаку 'плюс', а символ '1' - знаку 'минус'.

Параметры эфемерид НКА периодически определяются подсистемой контроля и управления и закладываются на все спутники системы.

Среднеквадратические значения погрешностей передаваемых местоположения и скорости спутников в орбитальной системе координат при суточном прогнозе приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Погрешности передаваемых координат и скорости НКА

Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов оперативной информации навигационного сообщения представлены в табл. 3.4.

Слово m - номер строки в навигационном кадре. Слово t_k - время начала кадра внутри текущих суток, исчисляемое в шкале бортового времени. В 5 старших разрядах записывается количество целых часов, прошедших с начала текущих суток. В 6 средних разрядах записывается количество целых минут, а в младшем разряде - количество 30 секундных интервалов, прошедших с начала текущей минуты. Начало суток по бортовому времени спутника совпадает с началом очередного суперкадра. Слово В_n - признак недостоверности кадра n-го НКА. Аппаратурой потребителя анализируется только старший разряд этого слова, '1' в котором обозначает факт непригодности данного спутника для проведения сеансов измерений. Второй и третий разряды этого слова аппаратурой потребителя не анализируются. Слово t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация. Длительность данного временного интервала и, следовательно, максимальное значение слова t_b определяются значением слова Р1. Слово Р - признак режима работы НКА по ЧВИ. Значения признака следующие: 00 - ретрансляция параметра , ретрансляция параметра ; 01 - ретрансляция параметра , размножение параметра на борту НКА; 10 - размножение параметра на борту НКА, ретрансляция параметра ; 11 - размножение параметра на борту НКА, размножение параметра на борту НКА. Слово Р1 - признак смены оперативной информации; признак сообщает величину интервала времени между значениями t_b (минута) в данном и предыдущем кадрах. Слово Р2 - признак нечетности ('1') или четности ('0') числового значения слова t_b (для интервалов 30 или 60 минут). Слово Р3 - признак, состояние '1' которого означает, что в данном кадре передается альманах для 5-ти спутников системы, а состояние '0' означает, что в данном кадре передается альманах для 4-х спутников. Слово Р4 - признак того, что на текущем интервале времени t_b средствами ПКУ на НКА заложена (1) или не заложена (0) обновленная эфемеридная или частотно-временная информация. Слово N_T - текущая дата, календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с 1-го января високосного года. Слово n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал и соответствующий его рабочей точке внутри орбитальной группировки ГЛОНАСС. Слово F_T - фактор точности измерений, характеризующий в виде эквивалентной ошибки прогнозируемую ошибку измерения псевдодальности, обусловленную набором данных (эфемеридная и частотно-временная информация), излучаемых в навигационном сообщении на момент времени t_b. Слово - смещение излучаемого навигационного радиосигнала поддиапазона L1 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L2 для n-го НКА.

,

где , - аппаратурные задержки в соответствующих поддиапазонах, выраженные в единицах времени. Слово М - модификация НКА, излучающего данный навигационный сигнал. Значение '00' означает НКА ГЛОНАСС, '01' - НКА ГЛОНАСС-М

Таблица 3.3 Значения слова F_T

Слово - относительное отклонение прогнозируемого значения несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника от номинального значения на момент времени t_b:

,

где - прогнозируемое значение несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b; - номинальное значение несущей частоты навигационного радиосигнала n-го спутника.

Слово - сдвиг шкалы времени n-го спутника t_n относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС t_с, равный смещению по фазе ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника относительно системного опорного сигнала на момент времени t_b, выраженный в единицах времени

.

Слово l_n - признак недостоверности кадра n-го НКА; l_n = 0 свидетельствует о пригодности спутника для навигации; l_n = 1 означает факт непригодности данного спутника для навигации.

Таблица 3.4 Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов оперативной информации навигационного сообщения

Размещение слов оперативной информации навигационного сообщения в кадре представлено в табл. 3.5.

Таблица 3.5 Размещение слов оперативной информации навигационного сообщения в кадре

Слова , , - координаты n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b. Слова , , - составляющие вектора скорости n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b. Слова , , - составляющие ускорения n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b, обусловленные действием Луны и Солнца. Слово E_n - характеризует 'возраст' оперативной информации, то есть интервал времени, прошедший от момента расчета (закладки) оперативной информации до момента времени t_b для n-го спутника. Слово E_n формируется на борту НКА.

3.5 Неоперативная информация навигационного сообщения, альманах системы ГЛОНАСС

Неоперативная информация (альманах) включает в себя: данные о шкале времени системы; данные о шкале времени каждого спутника; данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спутников системы.

Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов неоперативной информации навигационного сообщения представлены в табл. 3.9.

Таблица 3.6 Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов альманаха системы

Слово - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU). Поправка тс дана на начало суток с номером N^А.

Слово - поправка на расхождение системных шкал времени GPS(T_GPS) и ГЛОНАСС (Т_ГЛ) в соответствии со следующим выражением:

T_GPS - Т_ГЛ = ДФ + ,

где ДФ - целая часть, а T_GPS - дробная часть расхождения шкал времени, выраженного в секундах.

Слово N^А - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года, к которым относятся поправка и данные альманаха системы (альманах орбит и альманах фаз).

Слово n^A - условный номер спутника в системе, который соответствует номеру занимаемой спутником рабочей точки. А - номер несущей частоты навигационного радиосигнала, излучаемого спутником с номером n^A.

Слово - долгота в системе координат ПЗ-90 первого внутри суток с номером N^А восходящего узла орбиты спутника с номером n^A. Слово - время прохождения первого внутри суток с номером N^А восходящего узла орбиты спутника с номером n^A. Слово - поправка к среднему значению наклонения орбиты для спутника с номером n^A на момент (среднее значение наклонения орбиты принято равным 63°).

Слово - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника с номером n^A на момент времени (среднее значение драконического периода обращения спутника принято равным 43200 с.).

Слово - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A.

Слово - эксцентриситет орбиты спутника с номером n^A на момент времени . Слово - аргумент перигея орбиты спутника с номером n^A на момент времени . Слово - признак модификации n-го НКА. '00' - ГЛОНАСС, '01' - ГЛОНАСС-М.

Слова В1 и В2 - коэффициенты линейного полинома для определения величины ДUT1 расхождения всемирного UT1 (время Гринвичского меридиана с учетом движения полюса) и координированного времени UTC(SU) государственного стандарта Российской Федерации:

ДUT1 = UT1 - UTC(SU)

Слово В1 - величина ДUT1 на начало суток с номером N^А, измеряется в секундах. Слово В2 - скорость изменения параметра ДUT1, измеряется в секундах за средние солнечные сутки (с/ссс).

ДUT1 = В1 + В2*(N_T - N^A).

Слово КР - признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTC на величину ±1с, как показано в табл. 3.7.

Таблица 3.7 Значения слова КР

Признак КР помещается в навигационный кадр не позднее, чем за 8 недель до проведения коррекции. Однако, решение о предстоящей коррекции может быть принято раньше, чем за 8 недель. Поэтому с начала квартала до принятия решения передается признак 10 (решение ещё не принято), а после принятия решения передаётся один из 3-х вышеперечисленных признаков. Слово - грубое значение сдвига шкалы времени спутника с номером n^A относительно шкалы времени системы на момент времени , равное смещению ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала относительно номинального положения. Слово - обобщенный признак состояния спутника с номером n^A на момент закладки неоперативной информации (альманаха орбит и фаз). Значение признака С_n = 0 указывает на непригодность спутника для использования в сеансах навигационных определений, а значение признака С_n = 1 - на пригодность спутника.

Точность передаваемых в составе альманаха параметров такова, что позволяет потребителю производить определение дальности и радиальной скорости спутника со среднеквадратическими значениями погрешностей, зависящими от времени, прошедшего с момента передачи альманаха ('возраста' данных), как показано в табл. 3.8.

Таблица 3.8 Зависимость погрешности навигационных определений от 'возраста' данных альманаха

Таблица 3.9 Размещение слов альманаха в кадре навигационного сообщения

3.6 Выводы по главе 3

1. Навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация содержит: оцифровку меток времени НКА; сдвиг шкалы времени НКА; отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала; эфемериды НКА. Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя: сдвиг шкалы времени каждого НКА; параметры орбит всех НКА; сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС от UTC(SU) и другие данные.

2. Суперкадр имеет длительность 2,5 минуты и состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с.

3. Навигационный кадр является частью суперкадра. Каждый навигационный кадр имеет длительность 30 с и состоит из пятнадцати строк длительностью 2 с каждая. В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного НКА и часть неоперативной ЦИ.

4. Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает МВ в виде укороченной ПС последовательности ПСПМВ, состоящей из 30 символов длительностью 10 мс. Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц, сложенная по модулю два с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный код).

4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРБИТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС

Приведенный ниже комплекс программ составлен на основе формул для расчета орбит спутников по данным альманах ГЛОНАСС в полном соответствии с интерфейсным контрольным документом ГЛОНАСС [3].

Рисунок 4.1 Структура комплекса расчета и моделирование орбитального движения спутников ГЛОНАСС

Данные, использованные при изучении, а именно альманах в формате .txt получен с помощью приемника СНС Навиор-24 (СН 4701) (приложение 24).

4.1 Файл ORBITA_GLONASS

Программа рассчитывает орбиты спутников ГЛОНАСС по данным альманаха в строгом соответствии с интерфейсным контрольным документом ГЛОНАСС.

Входные данные: альманах ГЛОНАСС; год ; месяц ; день; координаты точки, из которой проводится наблюдение спутников (WGS84); широта в радианах - 56 градусов, 8 минут и 0 секунд для города Чебоксары; долгота в радианах - 47 градусов, 15 минут и 0 секунд для города Чебоксары; высота в метрах, например, 120.9. шаг в секундах; расчетный интервал, например, 24 часа; количество спутников, для которых строятся графики орбитального движения; номера спутников, для которых строятся графики орбитального движения.

Выходные данные: координаты спутника x, y, z c номером i на момент времени j в системе ECEF - прямоугольная подвижная геоцентрическая система координат; координаты спутника x, y, z c номером i на момент времени j в системе ECI - абсолютная неподвижная система координат; скорости спутника c номером i на момент времени j по осям x, y, z; угол места спутника c номером i на момент времени j; угол азимута спутника c номером i на момент времени j; дальность до спутника c номером i на момент времени j; график орбит спутников ГЛОНАСС системе ECEF; график орбит спутников ГЛОНАСС системе ECI; график видимости спутников; график скоростей спутников ГЛОНАСС.

Файл ORBITA_GLONASS.m приведен в приложении 1.

4.2 Входные данные

Входные данные представляют их себя альманах в формате .txt получен с помощью приемника СНС Навиор-24 (СН 4701).

Содержит информацию о номере спутника, здоровье, номере литеры, уходе шкалы времени спутника в секундах, долготе первого внутри суток восходящего узла в радианах, наклонении орбиты в градусах, эксцентриситете, аргументе перигея орбиты спутника в радианах, времени прохождении восходящего узла орбиты в секундах, драконическом периоде, скорости изменения драконического периода. Входные данные в виде функции приведены в приложении 24.

4.3 Функция map

Применена функция MatLab для внесения в графики орбитального движения изображения Земли. Функция приведена в приложении 2.

4.4 Функция read_Alm

Функция предназначена для записывания данных с альманаха в массив alm для последующей обработки в программе и определение количества работающих спутников. Функция приведена в приложении 3.

4.5 Функция Gln_data_from_NA

Функция предназначена для преобразования номера дня NA (день привязки альманаха от ближайшего високосного года) в текущую дату.

Входные данные: ближайший високосный год - 2004, день привязки альманаха - 15 ноября 2007 года.

Выходные данные: year = 2007 mon = 11 day = 16.

Функция приведена в приложении 4.

4.6 Функция JD_data

Функция основывается на вычислениях функции JD_epohi и вычисляет: номер юлианского дня, номер дня года.

Входные данные: структура timeUTC - год, месяц, день.

Выходные данные: юлианский день; день от начала года.

Функция приведена в приложении 5.

Функция JD_epohi. Функция рассчитывает номер юлианского дня до начала года (epoha) на 12 часов, 0 дня в январе.

Входные данные: epoha, размерность - год.

Выходные данные: номер юлианского дня до начала года.

Функция приведена в приложении 11.

4.7 Функция LLH_to_ECEF

Функция преобразования географических координат (LLH) в прямоугольную геоцентрическую систему координат (ECEF).

Входные данные: географические координаты - долгота (радиан), широта (радиан), высота (метр); a, b - большая и малая полуоси земного эллипсоида в WGS84 (метр).

Выходные данные: координаты x, y, z в прямоугольную геоцентрическую систему координат (ECEF).

Функция приведена в приложении 6.

4.8 Функция WGS84_to_PZ90

Функция преобразует координаты из системы WGS84 в систему ПЗ-90.

Функция приведена в приложении 7.

4.9 Функция ECEF_to_LLH

Функция преобразует координаты из системы ECEF в географическую систему.

Входные данные: a, b - большая и малая полуоси земного эллипсоида (метр); координаты x, y, z в ECEF;

Выходные данные: географические координаты - долгота (радиан), широта (радиан), высота (метр).

Функция приведена в приложении 8.

4.10 Функция GLN_satfind

Функция вычисляет координаты спутников ГЛОНАСС, углы видимости и количество видимых спутников.

Входные данные: a, b - большая и малая полуоси земного эллипсоида; параметры времени; широта, долгота и высота точки, из которой наблюдаются спутники, данные альманаха спутников ГЛОНАСС.

Выходные данные: количество видимых спутников ГЛОНАСС, углы видимости спутников, координаты спутников в абсолютной системе координат (ECI); координаты спутников в подвижной системе координат (ECEF).

Функция приведена в приложении 9.

Функция init_data. Функция предназначена для инициализации массивов

Функция приведена в приложении 12.

Функция JD_from_epohi. Функция вычисляет количество дней от указанного года (epoha) до текущей даты, указанной в структуре timeUTC, представленной в виде года (year), месяца (mon), дня (day).

Функция приведена в приложении 13.

Функция s0_Nut. Функция рассчитывает среднее звездное время на 0 часов UTC

Входные данные: дата, на которую требуется рассчитать среднее звездное время.

Выходные данные: среднее звездное время на 0 часов UTC.

Функция приведена в приложении 14.

Функция llh_to_eci. Функция вычисляет позицию приемника в абсолютной геоцентрической системе координат (ECI).

Входные данные: a, b - большая и малая полуоси земного эллипсоида (метр); текущее время (секунды), среднее звездное время, координаты приемника - долгота (радиан), широта (радиан), высота (метр).

Выходные данные: географические координаты приемника в абсолютной геоцентрической системе координат (ECI) - долгота (радиан), широта (радиан), высота (метр); координаты приемника в абсолютной прямоугольной геоцентрической системе координат (ECI) x, y, z.

Функция приведена в приложении 15.

Функция init_satpos_gln. Функция предназначена для инициализации структуры sat_pos.

Функция приведена в приложении 16.

Функция gln_a_1. Функция рассчитывает координаты и скорости спутников ГЛОНАСС.

Входные данные: номер спутника, номер текущих суток внутри 4-х летнего периода (от ближайшего високосного года), текущее время обсервации от начала дня, истинное звездное время в текущий момент обсервации, альманах спутников ГЛОНАСС.

Выходные данные: координаты по оси x, y, z; скорости по оси x, y, z.

Расчет координат и составляющих вектора скорости НКА по данным альманаха системы ГЛОНАСС в абсолютной геоцентрической системе координат ОХ_аУ_аZ_а (начало системы координат и направление оси OZ_а совпадает с началом системы координат OХУZ и направлением оси 0Z, плоскость ХOZ отстоит от плоскости Х_аOZ_a на величину звездного времени S, а ось OY_а дополняет систему до правой) на заданный момент времени t_i (московское декретное время суток с номером N₀ внутри четырехлетнего периода) проводится в два этапа.

Сначала с помощью величин , и рассчитываются момент прохождения восходящего узла орбиты t_k на витке с номером К, к которому принадлежит заданный момент времени t_i (), и долгота восходящего узла на этом витке. Остальные параметры принимаются постоянными и равными тем, которые содержатся в навигационном кадре.

Затем оскулирующие элементы пересчитываются с момента t_k по аналитическим формулам на момент. При этом учитываются вековые и периодические возмущения в элементах орбиты НКА от второй зональной гармоники С₂₀ в разложении геопотенциала, характеризующей полярное сжатие Земли.

Полученные на момент t_i оскулирующие элементы переводятся в кинематические параметры.

Последовательность проведения расчета и используемые рабочие формулы в функции gln_a_1:

1) Методом последовательного приближения находится большая полуось орбиты а:

где , и .

За начальное приближение принимается

км.

2) Рассчитываются момент прохождения восходящего узла орбиты t_k на витке, к которому принадлежит момент t_i и долгота восходящего узла на этом витке :

,

,

,

где W - целая часть W_k ,

,

,

,

где , , .

Здесь: С₂₀ - коэффициент при второй зональной гармонике разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям, равный -1082,63*10^-6; а_е - экваториальный радиус Земли, равный 6378, 136 км; S₀ - истинное звездное время на гринвичскую полночь даты N₀, к которой относится время t_i; - угловая скорость вращения Земли, равна 0,7392115*10^-4 с^-1; - константа гравитационного поля Земли, равна 398600,44 км³/с².

3) Вычисляются константы интегрирования на момент :

где , , , , , , , , .

4) вычисление поправок к элементам орбиты НКА на момент времени t_i за счет влияния второй зональной гармоники C₂₀:

Величины вычисляются для и по формулам (4.1) при .

5) Вычисляются возмущенные элементы орбиты НКА на момент времени t_i:

,

где , , , .

Здесь i -индекс принадлежности ко времени t_i.

6) Вычисляются координаты и составляющие вектора скорости НКА в системе координат OX_aY_aZ_a на момент времени t_i:

, , ,

, ,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Весь расчет выполняется в функции приведенной в приложении 17.

Функция semi_axis_1. Функция вычисляет радиус орбиты спутника ГЛОНАСС в соответствии с интерфейсным контрольным документом ГЛОНАСС.

Входные данные: драконический период обращения спутника ГЛОНАСС (секунды), наклонение орбиты спутника ГЛОНАСС (радиан), эксцентриситет, аргумент перигея орбиты спутника ГЛОНАСС (радиан).

Выходные данные: большая полуось орбиты спутника ГЛОНАСС (километр).

Функция приведена в приложении 22.

Функция kepler. Функция предназначена для решения уравнения Кеплера.

Функция приведена в приложении 23.

Функция satpos_eci_in_metr. Функция преобразует координаты satpos_eci (структура), заданные в километрах в координаты satpos_eci, satpos_gln в метрах.

Функция приведена в приложении 18.

Функция eci_to_ecef. Функция преобразования координат из неподвижной системы координат в подвижную.

Входные данные: среднее звездное время в текущий момент обсервации, текущее время, координаты x, y, z в абсолютной неподвижной системе координат (ECI); cкорости vx, vy, vz в абсолютной неподвижной системе координат (ECI).

Выходные данные: координаты x, y, z в подвижной системе координат (ECEF); cкорости vx, vy, vz в подвижной системе координат (ECEF).

Функция приведена в приложении 19.

Функция top_coord. Функция выполняет расчет топоцентрических координат объекта по заданным географическим (долгота, широта, высота) и геоцентрическим (x, y, z) координатам приемника, а также геоцентрическим координатам объекта (x, y, z).

Входные данные: номер спутника, широта (рад) приемника, долгота (рад) приемника, высота (м) приемника, прямоугольные геоцентрические координаты приемника (м), прямоугольные геоцентрические координаты объекта (м).

Выходные данные: проекция вектора дальности на ось, направленную на Юг (South), проекция вектора дальности на ось, направленную на Восток (East), проекция вектора дальности на ось, направленную в Зенит, дальность до объекта, угол азимута объекта, угол видимости объекта.

Функция приведена в приложении 20.

Функция rewrite_satpos. Функция предназначена для перезаписи структуры satpos в массив структур result.

Функция приведена в приложении 21.

4.11 Функция ris_vis_sat

Функция строит графики спутников, видимых из точки наблюдения.

Функция приведена в приложении 10.

4.12 Результаты выполнения файла ORBITA_GLONASS

Рисунок 4.2 Координаты x, y, z спутников 6, 14, 23 за 24 часа в прямоугольной подвижной геоцентрической системе координат ECEF

Рисунок 4.3 Координаты x, y, z спутников 6, 14, 23 за 24 часа в абсолютной неподвижной системе координат ECI

Рисунок 4.4 График скоростей спутников 6, 14, 23 за 24 часа

Рисунок 4.5 График времени наблюдения спутников 1, 4, 6, 7, 8, 10, 14, 15, 21, 23, 24 за 24 часа

4.13 Вывод по главе 4

1. Получены орбиты движения спутников ГЛОНАСС под номерами 6, 14, 22 за 24 часа в двух системах координат: прямоугольной подвижной геоцентрической системе координат ECEF и абсолютной неподвижной системе координат ECI. Рис. 4.2 и рис. 4.3 показывает эллиптическую орбиту движения спутников.

2. Получены графики скорости движения спутников ГЛОНАСС под номерами 6, 14, 22 за 24 часа абсолютной неподвижной системе координат ECI. Получены проекции скоростей на плоскостях XOY, ZOY, ZOX.

3. Получена видимость спутников ГЛОНАСС за 24 часа, из точки обзора - город Чебоксары.

4. По рис. 4.5 выявлено, что в промежутки времени с 4 до 8 и с 15 до 19 часов число видимых спутников над Чебоксарами не достаточно для определения координат местоположения приемником ГЛОНАСС.

5. Экономическая часть

5.1 Обоснование необходимости проведения НИР

В выпускной квалификационной работе осуществляется исследование орбитального движения спутников ГЛОНАСС методом имитационного моделирования на компьютере.

Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование. При математическом моделировании объект (процесс) заменяется системой дифференциально-интегральных уравнений, описывающей динамику объекта (процесса). При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы.

5.2 Определение трудоемкости проведения НИР

Для определения трудоемкости выполнения научно-исследовательской работы (НИР) составляется перечень всех основных этапов и видов работ, которые должны быть выполнены [19]. На основе анализа смыслового содержания каждого вида работ и определения квалификационного уровня исполнителей заполняется табл. 5.1.

Таблица 5.1 Распределение работ по этапам, видам и должностям исполнителей

Трудоемкость выполнения НИР определяется по сумме трудоемкости этапов и видов работ, оцениваемых экспертным путем в человеко-днях, и носит вероятностный характер. Для этого применяются оценки минимально возможной трудоемкости выполнения отдельных видов работ - , максимально возможной - и наиболее вероятной - . По этим величинам оценивается ожидаемое значение трудоемкостей и их дисперсий по следующим формулам:

(5.1)

. (5.2)

Экспертные оценки и расчетные величины приведены в табл. 5.2.

Дисперсия характеризует степень неопределенности выполнения работы за ожидаемое время . Если разброс между и мал, то мала степень достоверности того, что работа будет выполнена точно в срок.

Таблица 5.2 Оценка трудоемкости отдельных видов работ в днях

5.3 Расчет себестоимости проведения НИР

Целью планирования себестоимости проведении НИР является экономически обоснованное определение величины затрат на ее выполнение.

В плановую себестоимость НИР включаются все затраты, связанные с ее выполнением. Определение затрат на НИР производится путем составления калькуляции плановой себестоимости. Калькуляция плановой себестоимости проведения НИР составляется по следующим статьям: специальное оборудование; основная заработная плата; дополнительная заработная плата; отчисления на социальные нужды; накладные расходы. Расчёт затрат на специальное оборудование приведён в табл. 5.3.

Таблица 5.3 Расчёт затрат на специальное оборудование

Средняя заработная плата за один рабочий день определяется для каждой категории работающих исходя из месячного оклада и количества рабочих дней в месяце. Расчёт заработной платы работникам проведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4 Расчёт заработной платы работникам

В табл. 5.4 проведен расчёт заработной платы работникам.

Дополнительная заработная плата пропорциональна основной заработной плате с учётом коэффициента норматива :

.(5.3)

Расчёт отчислений на социальные нужды:

(5.4)

где - норматив отчислений на социальные нужды.

Накладные расходы:

,(5.5)

где - норматив цеховых расходов.

Расчет затрат сведем в табл. 5.5

Таблица 5.5 Калькуляция затрат

Таблица 5.6 Калькуляция плановой себестоимости выполняемых работ

5.4 Построение ленточного графика проведения НИР

Одной из основных целей планирования НИР является определение общей продолжительности их проведения. Вычисление продолжительности каждой работы определяется по формуле, дней:

,(5.6)

где - трудоемкость работ, человек-день; - численность исполнителей, человек. Календарный график построим по пятидневной рабочей неделе.

Вычислим общую продолжительность работ :

(5.7)

где i соответствует числу работ при проведении НИР.

(5.8)

Вычислим продолжительность НИР с учетом параллельности выполнения работ различными по квалификации сотрудниками :

(5.9)

Таблица 5.7 Ленточный график проведения НИР

Из приведенного выше ленточного графика (табл. 5.7) видно, что НИР длилась 61 рабочих дней, тогда как общая продолжительность работ составляет 75 дней. Это объясняется параллельностью выполнения работ различными по квалификации сотрудниками. Фонд оплаты труда за время проведения НИР составил 32800 рублей, а плановая себестоимость выполняемых работ составила 89974,48 рублей.

5.5 Выводы по главе 5

1. В данной главе выпускной квалификационной работы проведено обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы, произведен расчет основных затрат на покупные изделия, расчет заработной платы работникам и определена плановая себестоимость выполняемых работ. Все данные, полученные из расчётов, сведены в ленточный график, иллюстрирующий технико-экономическое обоснование НИР.

6. Безопасность и экологичность выпускной квалификационной работы

6.1 Характеристика объекта с точки зрения безопасности

Безопасность жизнедеятельности человека предполагает выполнение необходимых условий труда для обеспечения долгой и здоровой жизни. Сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда - одна из самых важных задач в современной социальной и производственной деятельности человека.

Целью данной выпускной квалификационной работы является исследование орбитального движения спутников ГЛОНАСС. Работа будет проводиться в небольшом закрытом помещении. Для исследования используется рабочее место, оборудованное компьютером. Следовательно, будет использоваться электрическая сеть переменного напряжения 220 В. В целях безопасности необходимо рассмотреть ряд проблем, в частности освещенность рабочего места, воздействие электрического тока и пожарную опасность, а также учесть влияние электромагнитных излучений на человека.

6.2 Анализ опасных и вредных факторов

Опасность - негативное свойство живой и неживой материи, способное причинять ущерб самой материи: людям, природной среде, материальным ценностям [20].

Вредный фактор - негативное воздействие на человека, которое приводит к ухудшению самочувствия или заболеванию.

Опасные и вредные факторы: воздействие электрического тока; воздействие плохой освещенности; пожарная опасность; вредные факторы при работе за компьютером.

Воздействие электрического тока. Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие.

Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом до высокой температуры органов, расположенных на пути тока вызывая в них значительные функциональные расстройства. Электролитическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей. Биологическое действие проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, а также нарушением внутренних биологических процессов.

Опасность воздействия электрического тока на человека зависит от следующих факторов: сопротивление тела человека (при сухой и чистой коже составляет сотни килоом); величина приложенного напряжения (безопасное напряжение до 42 В.); сила тока, проходящего через тело человека; длительность воздействия; путь прохождения; род и частота тока; индивидуальные свойства; влажность (нормальная относительная влажность не более 60 %).

В помещениях с повышенной опасностью (например, с повышенной влажностью) электроинструменты, переносные светильники, электроустановки и так далее должны быть выполнены с двойной изоляцией или их напряжение питания не должно превышать 42 В. В помещениях должны быть предусмотрены рубильники электрического тока, для того, чтобы в случае попадания человека под напряжение своевременно прекратить подачу электричества. Все электрические установки, имеющие металлический корпус должны быть заземлены.

Основные параметры освещения. Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы, безопасность и повышение производительности труда во многом зависят от освещения.

Лучистый поток, - это мощность лучистой энергии электромагнитного поля в оптическом диапазоне волн, Вт.

Световой поток, - это мощность световой энергии, оцениваемой по зрительному восприятию, т.е. величина F является не только физической, но и физиологической, лм.

Видность, - отношение светового потока к лучистому. Максимальная видность (при длине 554 Нм) составляет 683 лм/Вт.

Сила света, - пространственная объективная плотность светового потока в пределах телесного угла, кд.

Освещенность, - плотность светового потока на освещаемой поверхности, лк.

Яркость поверхности в данном направлении определяется из отношения силы света , излучаемой поверхность в этом направлении, к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

.(6.1)

Коэффициент отражения, характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток; определяется по формуле:

,(6.2)

где - отраженный световой поток, лм. - световой поток, падающий на поверхность, лм.

Качественные показатели систем производственного освещения являются компонентами и определяют условия зрительной работы.

Фон - поверхность, непосредственно прилегающая к объекту различения. Под объектом различения понимается минимальный элемент рассматриваемого предмета, который необходимо выделить для зрительной работы.

Контраст объекта с фоном, - определяется из соотношения яркостей рассматриваемого объекта и фона:

.(6.3)

Видимость, - величина, комплексно характеризующая зрительные условия работы. Зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном и др. Оценивается видимость числом пороговых контрастов , содержащихся в действительном контрасте:

.(6.4)

Пороговый контраст - наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым.

Показатель ослепленности, - это критерий оценки слепящего действия источников света, вычисляемый по формуле:

,(6.5)

где - видимость объекта различения при экранированном источнике света; - видимость при разэкранированном источнике искусственного света. Яркость объекта и фона увеличивается за счет появления бликов , что приводит к снижению показателя контрастности:

,(6.6)

а значит и к уменьшению показателя видимости.

Коэффициент пульсации освещенности, - критерий оценки изменения освещенности поверхности вследствие периодического изменения во времени светового потока источника света:

(6.7)

Необходимость в показателе вызвана применением газоразрядных ламп. При питании их переменным током наблюдается пульсация во времени величины светового потока.

Естественнее освещение имеет положительные и отрицательные стороны. Более благоприятный спектральный состав, высокая диффузность света способствуют улучшению зрительных условий работы. В то же время, при естественном освещении, освещенность во времени и пространстве непостоянна, зависит от погодных условий, возможно тенеобразование, ослепление при ярком солнечном свете.

Искусственное освещение помогает избежать многих недостатков, характерных для естественного освещения, и обеспечить оптимальный световой режим. При недостаточном естественном освещении в светлое время суток используют и искусственный свет. Такое освещение называется совмещенным.

Естественное освещение по конструктивному исполнению бывает боковое, верхнее, комбинированное. Наиболее эффективно комбинированное естественное освещение, обеспечивающее более равномерное распределение внутри производственного помещения. Искусственное освещение по конструктивному исполнению бывает двух видов: общее и комбинированное, когда к общему освещению добавляется местное, концентрирующее световой поток непосредственно на рабочих местах. Общее освещение подразделяется на общее равномерное и общее локализованное. Общее освещение может быть рабочим и аварийным.

Рабочее освещение является обязательным во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы, прохода людей и движения транспорта. Аварийное освещение предусматривается для обеспечения минимальной освещенности в производственном помещении на случай внезапного отключения рабочего освещения.

Пожарная опасность. Электрические приборы и установки являются источниками повышенной пожарной опасности. При коротком замыкании или недопустимом увеличении тока, возможно оплавление изоляции проводов и ее возгорание.

Источником пожарной опасности может являться естественный нагрев электроустановок или их компонентов. Так, например, корпуса мощных выпрямительных приборов могут нагреваться до 200-250 градусов.

Анализ вредных факторов при работе за компьютером. Зрительное утомление. Уже в первые годы компьютеризации было отмечено специфическое зрительное утомление у пользователей дисплеев, получившее общее название 'компьютерный зрительный синдром' (CVS - Computer Vision Syndrome). Причин его возникновения несколько. И, прежде всего - сформировавшаяся за миллионы лет эволюции зрительная система человека, которая приспособлена для восприятия объектов в отраженном свете (картин природы, рисунков, печатных текстов и т. п.), а не для работы с дисплеем. Изображение на дисплее принципиально отличается от привычных глазу объектов наблюдения - оно светится; состоит из дискретных точек; оно мерцает, т. е. эти точки с определенной частотой зажигаются и гаснут; цветное компьютерное изображение не соответствует естественным цветам (спектры излучения люминофоров отличаются от спектров поглощения зрительных пигментов в колбочках сетчатки глаза, которые ответственны за наше цветовое зрение). Но не только особенности изображения на экране вызывают зрительное утомление. Большую нагрузку орган зрения испытывает при вводе информации, так как пользователь вынужден часто переводить взгляд с экрана на текст и клавиатуру, находящиеся на разном расстоянии и по-разному освещенные.

Микротравмы. Микротравма - это постепенный износ организма в результате ежедневных нагрузок. Большинство нарушений в организме происходит из-за накапливающихся микротравм. Такой тип повреждений не возникает вдруг, как перелом руки или ноги (макротравма). Прежде, чем возникнут болевые ощущения, может пройти несколько месяцев сидения в неправильной позе или повторяющихся движений. Боль может ощущаться по-разному: в виде жжения, колющей или стреляющей боли, покалывания.

Заболевания, вызванные повторяющимися нагрузками (ПВПН) и повторяющиеся травмирующие воздействия при работе с компьютером (ПТВРК). Повторяющиеся действия приводят к накоплению продуктов распада в мышцах. Эти продукты и вызывают болезненные ощущения. Очень трудно предотвратить повторяющиеся движения кистей и ладоней при работе на компьютере.

6.3 Мероприятия по защите от опасных и вредных факторов

Мероприятия по организации электробезопасности. Электробезопасность на производстве обеспечивается соответствующей конструкцией электроустановок; применением технических способов и средств защиты; организационными и техническими мероприятиями (ГОСТ 12.1.009 - 76).

Наиболее распространенными техническими средствами защиты являются защитное заземление и зануление.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением (ГОСТ 12.1.009 - 76).

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением (ГОСТ 12.1.009 - 76).

Защита человека от поражения электрическим током в сетях с занулением осуществляется тем, что при замыкании одной из фаз на зануленный корпус в цепи этой фазы возникает ток короткого замыкания, который воздействует на токовую защиту (плавкий предохранитель, автомат), в результате чего происходит отключение аварийного участка от цепи.

Таким образом, чтобы обеспечить эффективную электробезопасность, необходимо заземлить или занулить все металлические части конструкции электроустановок. Не допускать попадания внутрь электроприборов влаги и посторонних предметов.

Мероприятия по обеспечению необходимой освещенности рабочего места. Естественное освещение в помещении должно осуществляться в виде бокового освещения. Величина коэффициента естественной освещенности (к.е.о.) должна соответствовать нормативным уровням по СНиП 2-4-79 'Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования'.

Искусственное освещение в помещении следует осуществлять в виде комбинированной системы освещения с использованием люминесцентных источников света в светильниках общего освещения.

Источники света по отношению к рабочему месту следует располагать таким образом, чтобы исключить попадание в глаза прямого света. Пульсация освещенности используемых ламп не должна превышать 10%.

Расчет освещенности рабочего места. Работа с оборудованием будет происходить в помещении 463 м. Освещение для такого рода работ требуется комбинированное (общее + местное).

Характеристика работы средней точности, размер объектов различения от 0,5 до 1 мм, что соответствует IV-му разряду работ.

По таблице нормирования искусственной освещенности в производственных помещениях.

При IV-ом разряде работ при среднем контрасте объекта с фоном и средней яркости фона - (разряд IV в), минимальная величина комбинированной освещенности должна быть 400 Лк.

С запасом возьмем величину освещенности Лк.

Так как освещение комбинированное, разделим его на общее и местное:

(6.8)

ВыберемЛк

Лк

Местное освещение - светильник над рабочим столом. Расчет будем вести точечным методом (одна лампа).

,(6.9)

где - сила света, [кд]; - высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, [м]; - расстояние до приборов, [м]; - угол между Н и R.

,(6.10)

где - световой поток, [Лм].

Так как ,(6.11)

То ,(6.12)

где - коэффициент запаса. Для данного вида работ .

Так как для лампы дается не сила света (), а световой поток (), то, подставляя выражения, получаем:

.(6.13)

Так как , то

.(6.14)

Отсюда,[Лм]

Вычисляем и находим по значению светового потока тип лампы и мощность:

Лк

Выберем , .

Тогда, по формуле ; что соответствует углу примерно в 45.

Находим :

Лм

По этому значению находим тип лампы и определяем ее мощность.

По ГОСТ 2239 - 79 это будет лампа накаливания Г215 - 225 - 200 , рассчитана на рабочее напряжение сети 220 В, мощность 200 Вт.

Рассчитаем общее освещение.

Требуемая величина освещения Лк.

Размеры комнаты: длина - 6 м, ширина - 4 м, высота - 3 м.

,

где Лк; - площадь комнаты, ; - коэффициент запаса, К=1,3; - коэффициент неравномерности светового потока (для люминесцентных ламп ).

- число ламп. Выберем .

Лампы сгруппированы по 2, расстояние между ними , лампы равномерно распределены.

- коэффициент использования светового потока, зависит от , где

,(6.15)

- показатель смещения, - длина комнаты, - ширина, - расстояние от точки подвеса ламп (потолка) до рабочей поверхности.

,

где - высота комнаты, 3 м. - расстояние от пола до рабочей поверхности, м.

По таблице находим значение .

При По формуле находим :

Лм.

По ГОСТ 6825 - 74 для люминесцентных ламп выбираем лампы ЛБ-40.

Световой поток такой лампы - 3120 Лм.

Рабочее напряжение - 220 В.

Мощность - 40 Вт.

Влияние электромагнитных излучений. Характер воздействия на человека электромагнитного излучения в разных диапазонах различен. В связи с этим значительно различаются и требования к нормированию различных диапазонов электромагнитного излучения.

В производственных условиях на рабочего оказывает воздействие широкий спектр электромагнитного излучения. В зависимости от диапазона длин волн различают: электромагнитное излучение радиочастот м), инфракрасное излучение м), видимую область м), ультрафиолетовое излучение м), рентгеновское излучение, гамма-излучение м) и др.

Электромагнитное поле (ЭМП) диапазона радиочастот обладает рядом свойств, которые широко используются в технике. Свойства электромагнитных волн распространяться в пространстве и отражаться от границы раздела сред широко используют в таких областях, как радиосвязь, телевидение, радиолокация, дефектоскопия и других, поэтому телевизионные и радиолокационные станции, антенны радиосвязи являются также мощными источниками ЭМП диапазона радиочастот. Различают технологические и паразитные источники ЭМП.

Единицами ЭМП являются: частота f (Гц); напряженность электрического поля Е (В/м); напряженность магнитного поля Н (А/м); плотность потока энергии J (Вт/м?). В ЭМП существуют три зоны, которые различаются по расстоянию от источника ЭМП.

Дальняя зона характеризуется тем, что в ней электромагнитная волна считается сформировавшейся. В этой зоне на человека воздействует только энергетическая составляющая ЭМП - плотность потока энергии. Если источник ЭМП имеет сверхвысокие частоты (СВЧ), то практически он создает вокруг себя зону энергетического воздействия - дальнюю зону, имеющую радиус: .

Биологическое действие ЭМП радиочастот характеризуется тепловым действием и нетепловым эффектом. Под тепловым действием подразумевается интегральное повышение температуры тела или отдельных частей при общем или локальном облучении. Нетепловой эффект связан с переходом электромагнитной энергии в объекте в нетепловую форму энергии (молекулярное резонансное истощение, фотохимическая реакция).

Влияние ЭПМ на организм зависит от таких физических параметров как длина волны, интенсивность излучения, режим облучения - непрерывный или прерывистый, а также от продолжительности воздействия на организм, комбинированного действия с другими производственными факторами, которые способны изменять сопротивляемость организма на действие ЭПМ. Наиболее биологически активен диапазон СВЧ, менее активен УВЧ и затем диапазон ВЧ (длинные и средние волны), т.е. с укорочением длины волны биологическая активность почти всегда возрастает. Комбинированное действие ЭПМ с другими факторами производственной среды - повышенная температура (свыше 28 ?С), наличие мягкого рентгеновского излучения - вызывает некоторое усиление действия ЭМП, что было учтено при гигиеническом нормировании СВЧ поля.

Нормирование воздействия электромагнитного излучения радиочастот. Оценка воздействия ЭМИ РЧ на человека согласно СаНПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 осуществляется по следующим параметрам:

В диапазоне частот 30 кГц…300 МГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями напряженности электрического поля (E, B/м) и напряженности магнитного поля (Н, А/м).

В диапазоне частот 300 МГц … 300 Гц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями плотности потока энергии (ППЭ, Вт/м², мкВт/см²).

Энергетическая экспозиция (ЭЭ) ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30 кГц … 300 МГц определяется как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека.

Энергетическая экспозиция, создаваемая электрическим полем, равна

,(6.16)

где Е - напряженность электрического поля, Т - время воздействия.

Энергетическая экспозиция, создаваемая магнитным полем, равна

.(6.17)

Энергетическая экспозиция за рабочий день (рабочую смену) не должна превышать значений, указных в табл. 6.1.

Таблица 6.1 Предельно допустимые значения энергетической экспозиции

Примечание. В настоящих Санитарных нормах и правилах во всех случаях при указанном диапазоне частот каждый диапазон исключает нижний и включает верхний предел частоты.

Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ (Е_пду, Н_пду, ППЭ_пду) в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня (рабочей смены) и допустимое время воздействия в зависимости от интенсивности ЭМИ РЧ определяется по формулам:

(5.18)

Предельно допустимая интенсивность воздействия от антенн, работающих в режиме кругового обзора, или сканирования с частотой не более 1 Гц и скважностью не менее 20 определяется по формуле:

,(5.19)

где К - коэффициент ослабления биологической активности прерывистых воздействий, равный 10.

Независимо от продолжительности воздействия интенсивность не должна превышать максимальных значений (например, 1000 мкВт/см? для диапазона частот 300 МГц … 300 ГГц).

Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ должны, как правило, определяться, исходя из предположения, что воздействие имеет место в течение всего рабочего дня (рабочей смены).

Сокращение продолжительности воздействия должно быть подтверждено технологическими распорядительными документами и (или) результатами хронометража.

Мероприятия по пожарной безопасности. Для обеспечения пожарной безопасности проводятся организационные, эксплуатационные, технические и режимные мероприятия:

К организационным мероприятиям относятся: обучение работающих пожарной безопасности; проведение инструктажа, бесед, лекций.

Эксплуатационные мероприятия предусматривают правильную эксплуатацию оборудования, правильное содержание зданий и территорий.

К техническим мероприятиям относится соблюдение противопожарных правил и норм при установке оборудования.

К мероприятиям режимного характера относится запрещение курения в неустановленных местах, производства сварочных работ в пожароопасных зонах и т. д. Для оповещения о пожаре используется пожарная сигнализация. Для тушения пожара до прибытия пожарной команды рабочие помещения должны быть оборудованы средствами пожаротушения: пожарные краны, ручные огнетушители, ящиками с песком.

Профилактические методы уменьшения усталости при работе за компьютером. Осанка. Осанка - это положение, которое принимает ваше тело, когда вы сидите за компьютером. Правильная осанка необходима для профилактики заболеваний шеи, рук, ног и спины. Необходимо так организовывать рабочее место, чтобы осанка была оптимальной, что снизит риск ПВПН и ПТВРК.

При работе за компьютером лучше всего сидеть на 2,5 см выше, чем обычно. Уши должны располагаться точно в плоскости плеч. Плечи должны располагаться точно над бедрами. Голову нужно держать ровно по отношению к обоим плечам, голова не должна наклоняться к одному плечу. При взгляде вниз, голова должна находиться точно над шеей, а не наклоняться вперед.

Эргономичная организация рабочего места. Даже самое эргономичное оборудование в мире не поможет вам избежать заболеваний, если использовать его неправильно. Следуя простым советам по эргономичной организации рабочего места изображенных на рис. 6.1, можно предотвратить дальнейшее развитие заболеваний.

Рисунок 6.1 Рабочее пространство

Научная организация рабочего пространства базируется на данных о средней зоне охвата рук человека - 40 см. Ближней зоне соответствует область, охватываемая рукой с прижатым к туловищу локтем, дальней зоне - область вытянутой руки.

Работа с клавиатурой изображена на рис. 6.2.

Рисунок 6.2 Работа с клавиатурой

Неправильное положение рук при печати на клавиатуре приводит к хроническим растяжениям кисти. Важно не столько отодвинуть клавиатуру от края стола и опереть кисти о специальную площадку, сколько держать локти параллельно поверхности стола и под прямым углом к плечу. Поэтому клавиатура должна располагаться в 15 см от края стола. В этом случае нагрузка приходится не на кисть, в которой вены и сухожилия находятся близко к поверхности кожи, а на более 'мясистую' часть локтя. Современные, эргономичные модели имеют оптимальную площадь для клавиатуры за счет расположения монитора в самой широкой части стола. Глубина стола должна позволяет полностью положить локти на стол, отодвинув клавиатуру к монитору.

Расположение монитора изображено на рис. 6.3.

Рисунок 6.3 Расположение монитора

Монитор, как правило, располагается чрезмерно близко. Существует несколько научных теорий, по-разному определяющих значимые факторы и оптимальные расстояния от глаза до монитора. Например, рекомендуется держать монитор на расстоянии вытянутой руки, но при этом, что человек должен иметь возможность сам решать, насколько далеко будет стоять монитор. Именно поэтому конструкция современных столов позволяет менять глубину положения монитора в широком диапазоне. Верхняя граница на уровне глаз или не ниже 15 см уровня глаз.

Внутренний объем изображен на рис. 6.4.

Рисунок 6.4 Внутренний объем

Значимым фактором является пространство под столешницей. Высота наших столов соответствует общепринятым стандартам, и составляет 74 см. Также необходимо учесть, что пространства под креслом и столом должно быть достаточно, чтобы было удобно сгибать и разгибать колени.

Кресло. Казалось бы, требования к нему сформулировать предельно просто, - оно должно быть удобным. Но это еще не все. Кресло должно обеспечивать физиологически рациональную рабочую позу, при которой не нарушается циркуляция крови и не происходит других вредных воздействий. Кресло обязательно должно быть с подлокотниками и иметь возможность поворота, изменения высоты и угла наклона сиденья и спинки. Желательно иметь возможность регулировки высоты и расстояния между подлокотниками, расстояния от спинки до переднего края сиденья. Важно, чтобы все регулировки были независимыми, легко осуществимыми и имели надежную фиксацию. Кресло должно быть регулируемым, с возможность вращения, чтобы дотянуться до далеко расположенных предметов.

6.4 Экологичность работы

Утилизация компьютерной техники. Для уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде компьютерами и другими высокотехнологичными устройствами, необходимы скоординированные действия международной общественности: производителей высокотехнологичного оборудования, а также его пользователей. Нужно призывать не к полной замене компьютеров, а к их модернизации и повторному использованию.

Химические вещества, содержащиеся в компьютерах: свинец в электронно-лучевой трубке и припое, мышьяк в более старых моделях ЭЛТ-трубок, триоксид сурьмы в качестве огнестойкой добавки, многобромистые замедлители горения в пластиковых корпусах, кабелях и платах, селен в выпрямительных элементах плат, кадмий в платах и полупроводниках, хром в качестве защитного покрытия от коррозии стали, кобальт в стали для износостойкости, медь в коммутаторах и корпусах. Моральное устаревание компьютерной техники - это неизбежное последствие технического прогресса. В настоящее время очень остро стоит вопрос об утилизации устаревшей компьютерной техники. По мнению экологов, в течение ближайших лет устаревшее компьютерное оборудование станет основным твердым мусором, загрязняющим планету.

Любой компьютер или телефон можно переработать и пустить во вторичное использование. При грамотной утилизации около 90% отходов техники способны вернуться к нам в том или ином виде. Сам процесс несложен. Сначала прибор разбирают, насколько это, возможно, сортируют металлы (черные, цветные, драгоценные), пластмассу и т. д. То, что разобрать уже нельзя, загружают в дробильный станок. Мелкая крошка попадает на движущийся транспортер. Воздухоотсосы заглатывают пластмассовую пыль и таким образом отделяют ее от металла. А металлическую смесь в дальнейшем подвергают плавке. При определенной температуре из нее выплавляется тот или иной металл - алюминий, медь, цинк, а также золото, серебро, металлы платиновой группы.

Переработка электронного лома может быть вполне экономически выгодна. Как правило, металл и любой пластик подходят для вторичного использования, переработка таких материалов позволяет покрывать практически все расходы на утилизацию.

Утилизация люминесцентных ламп. Люминесцентные лампы используются в промышленных и жилых помещениях, а также для уличного освещения. Общее количество этих приборов у потребителей в РФ превышает 100 миллионов шт. Содержание ртути в средней люминесцентной лампе 20 - 100 мг.

По состоянию на 2006 год на территории России накопилось около 650000 тонн ртутьсодержащих отходов с содержанием ртути от 0,02% до 75% и ежегодно производится и складируется до 15000 тонн таких отходов. Не менее опасными являются накопления ртути и ртутьсодержащих приборов в различных учебных заведениях, научных учреждениях, опытных заводах и у населения крупных городов. На промышленных предприятиях, в НИИ, в медицинских, школьных и дошкольных учреждениях города хранится 10 - 12 тонн ртути. Эти источники определяют аварийные ситуации, связанные с разливом металлической ртути и загрязнением ртутью территорий (более 250 официально зарегистрированных случаев в год).

Вышеприведенные материалы указывают на необходимость безотлагательного решения проблемы утилизации ртутьсодержащих отходов, и сложившиеся обстоятельства активизируют деятельность как государственных, так и коммерческих структур.

На территории России в настоящее время функционирует 44 предприятия, специализирующихся, в основном, на переработке люминесцентных ламп. У нас имеется организация по утилизации НПК 'Меркурий'. При организованной работе по сбору, упаковке и транспортировке ламп эти предприятия способны переработать весь объем отработанных люминесцентных ламп, образующихся на территории России. Однако в результате переработки образуются отходы меньшим содержанием ртути (0,2 - 0,4%), остающиеся отходами 1-го класса опасности и требующие специальных мероприятий для их хранения. Однако, положение, сложившееся в области утилизации ртутьсодержащих отходов нельзя назвать удовлетворительным. На многих предприятиях, специализирующихся на утилизации люминесцентных ламп, практически не отслеживают движение ртути в производстве, баланс ртути не составляется. Практикуется захоронение измельченных ламп и стеклобоя на полигонах, хотя и стеклобой в большинстве случаев нуждается в дальнейшей, более глубокой демеркуризации. Попытки решить проблему путем организации переработки высоконцентрированных РСО на месте образования или хранения не решает проблемы ликвидации мест хранения отходов 1-го класса опасности. Накопленный опыт пока вызывает целесообразность переработки РСО совместно с переработкой руды или минеральным наполнителем на предприятиях, имеющих опыт работы с ртутью. Стоимость работ по упаковке РСО в соответствии с существующими требованиями, транспортировке отходов к месту переработки и самой утилизации составляет около 300 долларов США за тонну отходов.

Сдерживает организацию и проведение работ по утилизации производственных РСО отсутствие у предприятий средств, необходимых для финансирования работы. В то же время эти предприятия обязаны выплачивать значительные средства в экологические фонды региона и Федеральный фонд за загрязнение окружающей среды. Предлагается предоставить предприятиям льготы по экологическим платежам в размере фактических затрат на переработку РСО, как наиболее опасных с экологической точки зрения, что позволит решать проблему утилизации отходов и удовлетворить потребности отечественных предприятий в металлической ртути.

6.5 Выводы по главе 6

1. В данной части выпускной квалификационной работы были учтены все факторы, которые могут оказать негативное воздействие на работу оборудования и людей в помещении при работе с компьютером и электроустановками. Также были проведены расчеты по освещенности и электробезопасности, выделены необходимые мероприятия по защите от воздействия этих вредных и опасных факторов.