1.3. Спутниковые РНС первого поколения (1151904)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

1.3 СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯОбщепризнанно, что в США толчком к началу практических работ вобласти спутниковой радионавигации послужил успешный запуск в СССРпервого искусственного спутника Земли (ИСЗ) (октябрь 1957 г.). В СССРработы в области навигационного использования ИСЗ были начаты в 1955 г., а ихрезультаты были опубликованы в 1957 г. одновременно с запуском первогоИСЗ. Ведущая роль в создании основ теории систем навигации, в которыхносителем источника навигационного сигнала является ИСЗ, принадлежаланаучному коллективу Ленинградской военно-воздушной инженерной академии(ЛВВИА)имА.Ф.МожайскогоподруководствомпрофессораВ.С.Шебшаевича [№№].Следует отметить, что сама идея использовать в качестве ОРНТ объект,движущийся со скоростью порядка нескольких километров в секунду, в тотмомент вызывала сомнение даже у специалистов в области радионавигации.Важнейший постулат, обосновывающий такую возможность, состоит в том,что орбита спутника и параметры его движения могут прогнозироваться иконтролироваться с высокой точностью, т.

е. на момент проведения НВОкоординаты ИСЗ считаются известными.В 1957 г. под руководством академика В.А. Котельниковабыли проведены исследования, подтвердившие возможностьопределения параметров движения ИСЗ по результатам измеренийдоплеровского сдвига частоты сигнала ИСЗ, принимаемого потребителем,координаты которого априори известны. Одновременно была доказанавозможностьрешенияобратнойзадачи—определениякоординатпотребителя (приемника) по результатам измерений доплеровского сдвигасигнала ИСЗ, траектория движения которого известна потребителю.Рассмотрим два возможных метода решения этой задачи.Пусть ИСЗ движется с постоянной скоростью VИСЗ по круговой орбитерадиуса RИСЗ, лежащей в плоскости, проходящей через центр земной сферы(рис.

1.10)Рис.1.10. Схема определения координат потребителя дифференциальнымдоплеровским методом: П – потребительПотребителю П, находящемуся на поверхности Земли, известно положениеИСЗ на орбите в каждый момент времени, а также несущая частота f0сигнала, излучаемого передатчиком ИСЗ. Измеряя текущее значение частотыf(t) сигнала, наблюдаемого потребителем, можно построить зависимость отвремени доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) принимаемого сигнала:FД(t) = f(t) – f0 (см. рис 1.11).Рис.

1.11.Зависимости доплеровского сдвига частоты от времени и расстоянияВ момент t0, соответствующий кратчайшему расстоянию между ИСЗ ипотребителем (в морской навигации этот момент называется прохождениемтраверза, отсюда и одно из названий метода, см. ниже), доплеровский сдвигстановится равным нулю: FД(t0) = 0, и меняет знак. Потребитель,зафиксировав этот момент, может построить поверхность своего положенияв виде проходящей через центр Земли плоскости, нормальной к векторускорости ИСЗ и содержащей точку в которой находился ИСЗ в моменттраверза.

Линия пересечения указанной плоскости с поверхностью Землиявляется линией положения. Для определения на этой линии точки,соответствующей положению наблюдателя, можно воспользоваться темфактом, что при заданных VИСЗ, RИСЗ и f0 производная (крутизна) кривой F'Д(t)при t = t0 однозначно зависит от расстояния R(t0) между ИСЗ и потребителем(см.рис. 1.11).

Определив таким способом R(t0), строят поверхностьположения в виде сферы радиуса R(t0) с центром в точке нахождения ИСЗ вмомент t = t0. Местоположение потребителя соответствует точке пересеченияэтой сферы с линией положения. Таким образом, координаты потребителяопределяются по результатам фиксации момента прохождения траверза t0 ирасчета величины производной F'Д при t = t0. Поэтому данный методназывают дифференциальным доплеровским или траверзным [1].Основной недостаток метода состоит в том, что для его реализациинеобходим значительный интервал времени наблюдения, гарантированновключающий в себя момент прохождения ИСЗ через траверз, но при этомдля измерений используется только энергия сигнала, накопленная закороткий интервал времени, прилегающий к моменту t = t0.

Очевидно, чтотакойрежимэнергетическиневыгоден,посколькудляполученияприемлемой точности измерений требуется большое отношение сигнал–шумна входе измерителя. Выполнить данное требование достаточно сложно,посколькуприемник,используемыйвэтомметоде,долженбытьширокополосным (из-за необходимости выполнения операции вычисленияпроизводной F'Д(t)).Более эффективным с указанной точки зрения является другой метод,основанный на интегрировании частоты сигнала на конечных интервалахвремени.Сутьэтогометода,получившегоназваниеинтегральногодоплеровского, сводится к следующему. Пусть в точке приема аппаратурапотребителя измеряет доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала НКАFД(t) и вычисляет интегралt2tf0 2ff FÄ (t )dt   c  v(t )dt  c0  R(t1)  R(t2 )  c0 R,tt1(2.1)1где t2–t1 — фиксированный интервал времени; f0 — известная несущаячастота сигнала НКА; с — скорость света; R — расстояние до НКА.Из формулы (1.1) следует, что значение интеграла от доплеровскойчастоты на интервалеt1  t2– t1 пропорционально разности дальностей доНКА в моменты времени t1 и t2.

Поскольку по условию координаты НКА наорбите в отсчетные моменты t1 и t2 известны, на основании значений R1можнорассчитатьповерхностьположенияпотребителя,котораяудовлетворяет условию R1=const и имеет вид гиперболоида. ОпределиввтороезначениеR2,относящеесякинтервалувремениt2  t3–t2,рассчитывают вторую аналогичную поверхность положения, при этомположениенаблюдателяопределяетсяточкойпересечениядвухгиперболоидов и земной поверхности. Эта точка не обязательно являетсяединственной, т. е.

в общем случае решение навигационной задачи неоднозначно. Для устранения этой неоднозначности можно использоватьрезультаты измерений, полученные в другие моменты времени, илиимеющиеся у потребителя априорные данные об его местоположении.Отметим, что интегральный доплеровский метод, так же, как идифференциальный, использует результаты измерений, полученные нанекотороминтервалевремени,т.е.необеспечиваютвозможностиодномоментных НВО. Однако этот интервал может быть выбран достаточнопроизвольно и не обязательно должен включать в себя момент прохождениятраверза.Началом полномасштабных работ по созданию отечественной СРНСпослужил запуск в 1967-х году первого навигационного космическогоаппарата (НКА) «Космос-192».

Спутник излучал непрерывные сигналы начастотах 150 и 400 МГц; СКО координатных измерений по этим сигналамсоставляло 250...300 м.Результаты исследований, проведенных в 1960-х годах, определилитехнический облик первого поколения СРНС, который был реализован всоветских низкоорбитальных СРНС «Циклон-Б» и «Цикада».Навигационно-связная система "Циклон-Б" в составе шести космическихаппаратов "Парус", обращающихся на околополярных орбитах высотойпорядка 1000 км, была принята на вооружение Советской Армии в 1976 г ииспользовалась исключительно в интересах МО СССР.В 1979 г была введена в эксплуатацию СРНС "Цикада" котораяпредназначалась, главным образом, для навигации гражданских морскихсудов. Высота круговых орбит четырех НКА СРНС «Цикада» (см. рис.

1.3.3),как и у СРНС "Парус", составляла около 1000 км, период обращения – около100 мин, наклонение орбитальной плоскости относительно экваториальной –83°.Рис. 1.12. Навигационный космический аппарат системы «Цикада»Бортовой комплекс НКА «Парус» и «Цикада» был создан подруководством академика М.Ф. Решетнева специалистами НПОприкладной механики (в настоящее время – ОАО «Информационныеспутниковыесистемы»им.академикаМ.Ф.Решетнева),г.Железногорск [8].Разработку наземного комплекса управления (НКУ) СРНС «Циклон» и«Цикада» возглавил академик М.С.

Рязанский – Главный конструкторрадиосистем управления, директор НИИ-885 (в настоящее время –ОАО «Российские космические системы»), г. Москва. М.С. Рязанскийбыл одним из шести членов легендарного Совета Главныхконструкторов под председательством С.П. Королева. Работы этогоСовета на многие годы, вплоть до наших дней, определили пути развитиясоветской и российской космонавтики.В СРНС «Цикада» был реализован следующий принцип работы.Наземный комплекс управления (НКУ) с помощью соответствующих средствконтроля определяет орбиту НКА и уход бортовой шкалы времени (БШВ)относительно системной и «закладывает» эти данные в бортовой компьютерНКА для последующей передачи потребителю в составе навигационногосообщения (НС). Потребитель принимает и расшифровывает НС, измеряет нанекотором интервале времени последовательность значений ДСЧ сигнала НКАи определяет собственные координаты интегральным доплеровским методом.При указанных выше параметрах орбитальной группировки зонарадиовидимости НКА для наземного потребителя имеет радиус порядка 2000км, а время пребывания в этой зоне (длительность навигационного сеанса)лежит в пределах 5…15 мин.

Поскольку длительность передачи полногообъема НС составляет 2 мин, существует возможность за время одногонавигационногорезультатысеансакоторыхпровестизатемнесколькоусредняютсянезависимыхдляповышенияизмерений,точностипозиционирования.Доступность навигационных определений по сигналам СРНС «Цикада»характеризуется следующими параметрами: на широтах порядка 80° (N, S)среднее значение перерыва между навигационными сеансами имеет порядок 30мин, на экваторе оно возрастает до ~110 мин. Не более, чем в 5 % случаев,перерыв может достигать 6…8 ч, но никогда не превышает 24 ч. Отметим, чтопри высотах орбит порядка 1000 км непрерывная доступность хотя бы одногоНКА может быть обеспечена только при наличии в орбитальной группировке45–70 аппаратов.ПорезультатамиспытанийСРНС«Циклон»и«Цикадабылоустановлено, что погрешность позиционирования движущегося судна понавигационным сигналам этих систем составляет 250...

300 м (СКО).Выяснилось также, что основной вклад в погрешность навигационныхопределений вносят погрешности передаваемых спутникам собственныхкоординат, которые рассчитываются и закладываются на борт КА средствамиНКУ. С целью повышения точности определения и прогнозированияпараметров орбит навигационных спутников была отработана специальнаясхема проведения измерений параметров орбит средствами НКУ, разработаныболееточныеметодикипрогнозирования.Длявыявлениялокальныхособенностей гравитационного поля Земли, оказывающих воздействие навыбранные орбиты навигационных КА (НКА), на такие же орбиты былизапущены специальные геодезические спутники.

Комплекс принятых мерпозволил уточнить координаты измерительных средств и вычислить параметрысогласующей модели гравитационного поля, предназначенной специально дляопределения и прогнозирования параметров движения НКА. В результатеточность передаваемых в составе навигационного сигнала собственныхкоординат была повышена практически на порядок, так что их погрешность наинтервале суточного прогноза не превышала 70...80 м. Как следствие,погрешностьопределенияморскимисудамисвоегоместоположенияуменьшилась до 80...100 м.Оснащение спутниковой навигационной аппаратурой судов торговогофлота оказалось очень выгодным, поскольку благодаря повышению точностисудовождения достигалась такая экономия времени плавания и топлива, чтобортовая аппаратура потребителя окупала себя после первого же годаэксплуатации.ВдальнейшемНКАСРНС«Цикада»былидооборудованыаппаратурой для приема и ретрансляции сигналов бедствия, передаваемыхрадиобуями системы «Коспас».

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций