Спутниковая система ГЛОНАСС

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью  этих сегментов, является определение  пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребителей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известными координатами.

Выбор концепции  независимой навигации и использование  беззапросных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропускной способности СРНС. По сравнению с зависимой навигацией, не предусматривающей процедуры вычислений ПВК в ПИ СРНС, произошло усложнение аппаратуры потребителей. Однако современные достижения в области технологий сделали возможной реализацию таких подходов при решении проблемы навигационных определений в СРНС.

Высокая точность определения местоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и параметры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспечивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.

В настоящее  время считается целесообразным введение в состав СРНС региональных дополнительных систем, обеспечивающих реализацию наиболее строгих требований потребителей. Эти структуры позволяют существенно повысить точность обсерваций, обнаруживать и идентифицировать нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функционирования и своевременно предупреждать об этом потребителей, т. е. они могут осуществлять контроль целостности системы и поддерживать режим дифференциальных измерений.

2.1. Подсистема космических аппаратов

Подсистема  космических аппаратов СРНС состоит  из определенного числа навигационных спутников. Основные функции НС — формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС. С этой целью в состав аппаратуры НС обычно включают:

радиотехническое  оборудование (передатчики навигационных  сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ), солнечные батареи и т. д. Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают практически синхронное излучение навигационных сигналов всеми спутниками, что необходимо для реализации режима пассивных дальномерных измерений в аппаратуре потребителей.

Навигационные сигналы спутников  содержат дальномерные компоненты и  компоненты служебных сообщений. Первые используют для определения в аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров (дальности, ее производных, ПВК и т. д.), вторые — для передачи потребителям координат спутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготовлена в наземном командно-измерительном комплексе и передана по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.

Дальномерные компоненты навигационных  сигналов содержат две составляющие, отличающиеся обеспечиваемой ими точностью навигационных определений (стандартной и более высокой). В аппаратуре гражданских потребителей обрабатывается сигнал стандартной точности. Для использования сигнала высокой точности требуется санкция военных органов.

Выбор состава и конфигурации орбитальной  группировки НС может обеспечить заданную рабочую зону, возможность  реализации различных методов навигационно-временных определений (НВО), непрерывность и точность НВО, диапазон изменения параметров радиосигналов НС и т. д. Например, увеличение высоты полета НС современных средневысотных СРНС до примерно 20 000 км позволяет принимать сигналы каждого НС на значительных территориях (приблизительно на половине поверхности Земли). И тогда несколько НС, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и авиационного потребителя, радионавигационное поле (глобальную рабочую зону).

Соответствующие характеристики сигналов НС и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью.

В современных СРНС типа ГЛОНАСС  и GPS большое внимание уделяется взаимной синхронизации НС по орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило применение к ним термина "сетевые СРНС".

2.2. Наземный командно-измерительный  комплекс

Подсистема  контроля и управления представляет собой комплекс наземных средств (командно-измерительный комплекс — КИК), которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движения НС, качеством функционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др.

Обычно КИК  состоит из координационно-вычислительного  центра, (КВЦ), станций траекторных измерений и управления (СТИ), системной (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ).                      

Периодически  при полете НС в зоне видимости  СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ  определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные вкладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, который используется, в частности, в процессе юстировки бортовых эталонов времени и частоты навигационных спутников СРНС.

2.3. Навигационная аппаратура  потребителей СРНС

Приемоиндикаторы СРНС, состоящие из радиоприемника и вычислителя, предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения необходимой потребителям информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т. п.).

Пространственное положение потребителя  обычно определяется в приемоиндикаторе в два этапа: сначала определяются текущие координаты спутников и первичные навигационные параметры (дальность, ее производные и др.) относительно соответствующих НС, а затем рассчитываются вторичные — географическая широта, долгота, высота потребителя и т. д.

Сравнение текущих координат потребителей с координатами выбранных навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяет сформировать в ПИ сигналы для управления различными транспортными средствами. Вектор скорости потребителя вычисляют путем обработки результатов измерений доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скорости спутника. Для нахождения пространственной ориентации потребителя в приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с использованием специальных антенных решеток.

2.4. Взаимодействие подсистем  СРНС в процессе определения  текущих координат спутников

Способ функционирования современных СРНС позволяет отнести  их к радиомаячным навигационным средствам. Однако необходимость постоянного определения текущих координат НС и выбора из них видимых потребителю НС и рабочего созвездия исправных НС существенно отличает СРНС от традиционных радиомаячных РНС (РСБН, РСДН), в которых координаты радиомаяков известны и постоянны. Непрерывное нахождение текущих координат НС, движущихся с большими изменяющимися но времени скоростями, представляет собой сложную задачу.

Координаты  НС могут быть определены в общем  случае на КИК или непосредственно на спутнике (самоопределяющиеся НС). В настоящее время отдается предпочтение первому подходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой проблемы в наземных условиях. В современных СРНС управление НС осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается постоянное взаимодействие КИК и сети НС. В связи с этим выделяют два этапа решения этой задачи. На первом этапе в аппаратуре КИК измеряют координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляют параметры их орбит. Эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моменты времени, например на середину каждого получасового интервала предстоящих суток, до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные координаты НС и их производные (эфемериды) передаются на НС, а затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, потребителям. На втором этапе в аппаратуре потребителя по этим данным осуществляется последующее прогнозирование координат НС, т. е., вычисляются текущие координаты НС в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат проводят при известных закономерностях движения НС.

В отличие  от самоопределяющихся НС, рассмотренный  вариант функционирования СРНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры КИК с целью достижения заданной надежности.

Заметим, что в навигационное сообщение  НС КИК, кроме того, закладывает альманах  — набор справочных сведений о всей сети НС, в том числе загрубленные эфемериды НС, которые обычно используются для определения видимых потребителю НС и выбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО. Темп обновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому ее часто называют оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.

3. Основные навигационные характеристики  НС

К основным навигационным характеристикам  НС относят зону обзора, зону видимости, продолжительность наблюдения, орбитальную конфигурацию сети НС и др. На чертеже (рис. 2) поясняются основные определения.

Зона  обзора НС представляет собой участок земной поверхности, на котором можно осуществлять наблюдение за НС, прием его сигналов. Центром зоны обзора является подспутниковая точка О₃, называемая географическим местом спутника (ГМС).

Координаты  ГМС (географические широта и долгота) могут быть рассчитаны по формулам:

где — орбитальные элементы НС; — гринвичское звездное время;

 — угловая скорость прецессии  узла орбиты. Зона обзора ограничена  линией истинного горизонта в  точке НС, поэтому ее размер  зависит от высоты НС ( ). Размер зоны обзора характеризуется углом или соответствующей ему дугой АО₃, которая называется радиусом зоны обзора [км]. Из рис. 2 видно, что

 

 

                                   (1)

Бортовые     приемоиндикаторы СРНС обеспечивают заданную точность измерений в зоне обзора, ограниченной радиогоризонтом, который поднят для пользователя на угол 5 ... 10° (угол маски). В этом случае зона обзора определяется углом , где

                               (2)

Площадь зоны обзора . Тогда относительная площадь обзора , где - площадь земного шара.

При увеличении высоты НС до 40 000 км радиус зоны обзора изменяется незначительно ( 9 400 км), а затраты на формирование такой орбиты возрастают существенно.

Рассмотренная выше зона обзора соответствует фиксированному моменту  времени (мгновенная зона обзора).

У нестационарных НС мгновенная зона обзора, перемещаясь по поверхности  Земли, образует зону обзора в виде полосы шириной . Ее осью является совокупность ГМС - трасса НС.

Установим условия видимости НС для наблюдателя, расположенного в точке ,  лежащей на трассе НС (рис. 3). Область небосвода СС’, в которой

 

НС наблюдается из точки  ; от момента восхода над горизонтом до момента захода     называют  зоной видимости (геометрической зоной видимости), для которой справедливы соотношения (1), (2). Из рис. 3 видно, что максимальный угловой радиус зоны видимости (дуга А'С')

С учетом радиогоризонта угловой радиус зоны обзора уменьшается  . Здесь угол a называют минимально допустимой высотой.

Продолжительность сеанса связи с НС  (в пределах видимости НС) определяется разностью ( ) и зависит от угла b (т. е. от высоты полета НС или периода его обращения Т).

      Для круговой орбиты  , где — угловая скорость обращения спутника.

Для СРНС ГЛОНАСС  км, % при км, ; » 300 мин.

Очевидно, что если потребитель  находится в стороне от трассы НС, то продолжительность наблюдения спутника уменьшается.

Навигационные алгоритмы, реализованные в бортовых приемоиндикаторах современных СРНС, обычно ориентированы на прием сигналов от нескольких НС одновременно. Наблюдение в любой точке рабочей зоны СРНС одновременно нескольких НС обеспечивается путем оптимального выбора стабильной пространственно-временной структуры (конфигурации) сети НС — числа, ориентации и формы орбит; числа НС на каждой из них; взаимного расположения орбит и спутников на них. Обычно число НС в сети превышает минимально необходимое за счет резервных НС.

 

4.  Решение навигационной задачи

Основным  содержанием навигационной задачи (НЗ) в СРНС является определение пространственно-временных координат потребителя, а также составляющих его скорости, поэтому в результате решения навигационной задачи должен быть определен расширенный вектор состояния потребителя П, который в инерциальной системе координат можно представить в виде . Элементами данного вектора служат пространственные координаты (х, у, z) потребителя, временная поправка t' шкалы времени потребителя относительно системной ШВ, а также составляющие вектора скорости .

Элементы  вектора потребителя недоступны непосредственному измерению с помощью радиосредств. У принятого радиосигнала могут измеряться те или другие его параметры, например задержка или доплеровское смещение частоты. Измеряемый в интересах навигации параметр радиосигнала называют радионавигационным (РНП), а соответствующий ему геометрический параметр — навигационным (НП), поэтому задержка сигнала t и его доплеровское смещение частоты являются радионавигационными параметрами, а соответствующие им дальность до объекта Д и радиальная скорость сближения объектов служат навигационными параметрами. Связь между этими параметрами дается соотношениями: