Васин В.И. Информационные технологии в радиотехнических системах. Под ред. И.Б.Федорова (2003) (1151848), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Поскольку координаты НКА на орбите в отсчетные моменты й н б известны (они передаются с НКА потребителю в составе так называемого навигационного сообщения; подробнее см. з 8.2), на основании значений А27 можно рассчитать поверхности положения потребителя относительно НКА, имеюшие внд гиперболоида. Получив второе значение Л1Ь относящееся к интервалу времени Л1 =1 — 1„рассчитывают вторую анало- 453 8. Спутниковые радионавигационные системы гичную поверхность положения, при этом положение наблюдателя определяется точкой пересечения этих гиперболоидов с земной поверхностью. Полученная точка, вообще говоря, не является единственной, т.
е. решение навигационной задачи не является однозначным, но с учетом имеющихся у потребителя априорных данных о его местоположении может быть выбрано единственное правдоподобное решение. Поскольку период передачи навигационного сообщения равен 2 мин, за время одного сеанса измерений 110...15 мин) могут быть получены дополнительные поверхности положения, которые затем усредняются для повышения точности местоопределения. Успешный опыт эксплуатации СРНС Транзит и Цикада подтвердил перспективность спутниковой радионавигации как основной линии развития радионавигации в целом. В то же время стали очевидными принципиальные недостатки СРНС первого поколения.
Первый недостаток состоял в том, что наличие перерывов между сеансами наблюдения НКА исключало возможность местоопределения в произвольный момент времени или непрерывного местоопределения в течение длительного интервала времени. Уменьшить интервал между сеансами, увеличив количество НКА, было нельзя, поскольку все НКА использовали идентичные сигналы и при их одновременном наблюдении возникали взаимные помехи. Второй недостаток связан с тем, что при интегральном доплеровском методе местоопределения необходимо результаты измерений, соответствующие различным моментам времени, приводить к одному моменту. Технические средства, существовавшие на момент создания СРНС первого поколения, обеспечивали точность синхронизации бортового эталона времени НКА и опорного генератора аппаратуры потребителя, соответствуюшую погрешности местоопределения неподвижного объекта порядка 50 м (СКО). Для движущихся объектов точность интегрального доплеровского метода измерений существенно зависит от точности определения собственной скорости движения потребителя.
Так, погрешность измерения собственной скорости, равная 0,5 м!с, приводит к погрешности местоопределения порядка 500 м, т. е. по сравнению с неподвижным потребителем погрешность возрастает примерно в 10 раз. Таким образом, СРНС первого поколения не удовлетворяли требованиям непрерывного высокоточного местоопределения динамичных объектов в любой точке Земли с выдачей результатов измерений в реальном масштабе времени. Рассматривавшиеся на определенном этапе варианты расширения возможностей этих систем за счет увеличения числа спутников при одновременном увеличении высоты орбиты, а также за счет добавления к доплеровскому каналу дальномерного канала не обеспечивали радикального улучшения ситуации, поскольку перспективная СРНС должна предоставлять потребителю возможность, в любой момент времени определить три 454 В.2 Основные нринцины ностнроения и функционирования СРНС координаты, вектор скорости и точное время.
Для реализации такой возможности необходимо проводить измерения не менее чем по четырем спутникам, что накладывает соответствующее условие на структуру орбитальной группировки НКА: в любой момент времени в любой точке земной поверхности должна быль обеспечена возможность наблюдения не менее четырех НКА, при этом общее число НКА в группировке должно быть минимальным. Для решения поставленной задачи при проектировании СРНС второго поколения были избраны среднеорбитальные НКА с высотой орбиты порядка 20 тыс.
км (дальнейшее увеличение высоты орбиты нецелесообразно, так как не приводит к расширению зоны видимости НКА). Период обращения НКА при такой высоте орбиты равен примерно 12 ч. В этом случае, для того чтобы гарантировать в любой точке Земли одновременное наблюдение не менее 4 НКА, в составе орбитальной группировки доляаю быль не менее 18 НКА, однако для повышения точности и надежности навигационных измерений было решено увеличить это число до 24.
Кроме изменения структуры и геометрии орбитальной группировки, в СРНС второго поколения с самого начала были заложены средства, обеспечивающие прецизионную (с точностью до единиц наносекунд) взаимную синхронизацию бортовых шкал (эталонов) времени НКА. Большое внимание было уделено также развитию средств высокоточного определения и прогнозирования параметров орбит (эфемерид) НКА. Достаточно сказать, что для достижения требуемой точности прогноза эфемерид должны учитываться такие факторы, как световое давление на НКА, влияние релятивистских эффектов на гравитационное поле Земли, неравномерность вращения Земли и ее полюсов, а также наличие реактивных сил, связанных с газоотделением материалов покрытия НКА.
Решение перечисленных, а также и многих других второстепенных задач позволило создать, ввести в эксплуатацию и предоставить в пользование всему населению Земли две среднеорбитальные СРНС второго поколения: российскую, получившую название ГЛОНАСС 1Тлобальная навигационная спутниковая система) и американскую, первоначально названную ХАЧБТАК (МачйаПоп Баге!1йе Типе апд Капйшй), а в настоящее время обычно именуемую ОРБ (О1оЪа! Роябопшй Яуз1еш).
8.2. Основные принципы построения и функционирования СРНС 8,2.1. Обобщенная структурная схема СРНС Принципиальная особенность СРНС, состоящая в том, что роль опорных точек в них играют НКА, совершающие орбитальное движение, определяет необходимость изменения структуры СРНС по сравнению с РНС наземного базирования.
В отличие от последних, содержащих в качестве ос- 455 8. Снутникавыерадионавигационные системы новных звеньев только аппаратуру базовых станций и АП, в составе СРНС необходима подсистема, обеспечивающая контроль траекторий движения НКА, дистанционный мониторинг исправности бортовой аппаратуры и точности бортовых эталонов времени, управление режимами работы бортовой аппаратуры, составом, объемом и скоростью передачи служебной информации и пр. Поэтому структура СРНС содержит три основные подсистемы: — подсистему (орбитальную группировку) НКА; — подсистему контроля и управления (контрольно-измерительный комплекс, КИК); — подсистему аппаратуры потребителей.
Кроме указанных подсистем в структуру СРНС входят так называемые средства функциональных дополнений, т, е. специальная наземная аппаратура, используемая для обеспечения потребителям в определенном регионе или локальной области дополнительных возможностей, например повышения точности измерений за счет использования дифференциальных методов измерений (см. 8 8.9). Общие принципы взаимодействия отдельных подсистем и функциональных дополнений СРНС иллюстрируются структурной схемой, показанной на рис. 8.1. Отличительные особенности построения подсистем НКА и КИК, присущие СРНС ГЛОНАСС и ОРИ, описаны ниже. Принципы построения и функционирования третьей подсистемы СРНС вЂ” аппаратуры потребителей— подробно рассматриваются в 8 8.5.
Подсистема Рис. 8Л. Структурная схема СРНС 456 В.2. Основные принципы построения и функционирования СРНС 8.2.2. Подсистема НКА Основное назначение НКА — формирование и излучение жестко синхронизированных сигналов, которые используются потребителями для навигационных определений, а назначение КИК вЂ” контроль функционирования бортовых систем и организация управления их работой. Соответственно, в состав бортовой аппаратуры входят передатчики и антенны навигационных сигналов и телеметрической информации, антенны и приемники данных и команд, передаваемых от КИК, бортовой эталон времени и частоты, блоки ориентирования, источники питания и различное вспомогательное оборудование. Сигналы, излучаемые НКА обеих рассматриваемых СРНС, лежат в коротковолновой части дециметрового диапазона волн.
При этом с целью уменьшения погрешностей в измерениях, возникающих при распространении сигналов от НКА через ионосферу (см. З 8.6), в СРНС ГЛОНАСС и ОРБ организовано излучение навигационных сигналов в двух полосах частот: 1,25 и 1,6 ГГц. Минимальный (для окологоризонтных спугников) энергетический потенциал сигналов, излучаемых НКА, составляет -!60 дБ/Вт, что позволяет использовать в АП слабонаправленные антенны и умеренно сложные приемники. В обеих СРНС сигналы НКА имеют правую круговую поляризацию. Навигационные сигналы НКА модулируются по фазе двумя видами псевдослучайных последовательностей (ПСП): — широкополосной (длительность символа 0,1 или ! мкс), используемой в АП для дальномерных измерений; — узкополосной (длительность символа 20 мс), предназначенной для передачи потребителям навигационного сообщения (НС), т.
е. массива навигационной и служебной информации, включающей в себя координаты НКА и их производные (эфемеридная информация), частотно-временные поправки для бортового эталона времени и частоты данного НКА, прогноз погрешностей, связанных с условиями распространения радиоволн, данные об исправности аппаратуры и т. п. Отметим, что информация для НС, в основном, формируется на КИК, а затем транслируется на НКА для использования бортовыми системами и передачи потребителю. Более подробно тип, структура и другие особенности сигналов СРНС, тесно связанные с используемыми методами навигационных измерений, описаны в соответствующих параграфах. Структура и параметры орбитальной группировки НКА выбраны так, чтобы была обеспечена заданная кратность глобального покрытия поверхности Земли зонами видимости НКА, т.
е. возможность круглосуточного 457 8. Спутниковые радионавигационные системы Рис. 8,2. Сеть НКА ГЛОНАСС на этапе пол- ного развертывания 458 наблюдения в любой точке Земли числа НКА, необходимого для навигационных измерений (для используемых в СРНС ГЛОНАСС и ОРИ псевдо- дальномерных методов измерений минимально необходимое число НКА равно четырем; подробнее об этом см. з 8.4). Кроме того, учитывались соображения, связанные с геометрическим фактором точности (см. 8 8.6), минимизацией интерференции сигналов от разных НКА в точке приема, и ряд других. Рассмотрим более подробно структуры орбитальных группировок ГЛОНАСС и ОРИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
