1.5. История создания, современное состояние и тенденции развития ГНСС (1151908), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Рис. 1.19 Размещение контрольных станций на территории РФ

Имеющаяся сеть КС обеспечивает проведение в течение суток по каждому НКА 10–12 сеансов измерений; объем данных, получаемых в одном сеансе, составляет примерно 1 Кбайт. В стандартном режиме закладка на НКА высокоточных эфемерид и временных поправок производится 2 раза в сутки. Сеть КС обладает достаточной избыточностью, поэтому выход из строя одной станции не приводит к ухудшению параметров системы. В наихудшем случае работоспособность системы ГНСС ГЛОНАСС может обеспечить ЦУС совместно всего с одной КС, однако при это интенсивность работы КС будет близка к предельно допустимой.

Для периодической юстировки радиотехнических КС используются квантово-оптические станции (КОС); на НКА для этого размещаются специальные оптические отражатели. Всего используется около 20 таких комплексов трех видов: лазерная дальномерная система «Гео-ИК», КОС «Сажень», а также, в рамках кооперации стран СНГ, КОС «Майданак» (Узбекистан).

Указанные станции применяются для корректировки результатов радиотехнических измерений и обеспечивают погрешность измерения дальности на уровне 1…2 см, а угловую погрешность – на уровне («Майданак»); 2…3” («Эталон»).

Как следует из сказанного, структура сети КС ГЛОНАСС полностью обеспечивает функционирование системы с национальной территории России, в то время как GPS использует глобальную сеть КС (см. ниже).

Остановимся более подробно на методах решения задач эфемеридного и частотно-временного обеспечения, которые непосредственно влияют на точность навигационных измерений с помощью сигналов ГНСС.

До недавнего времени для определения поправок бортовой ШВ использовалась комбинированная «беззапросно-запросная» технология, принцип которой состоит в следующем [9]. На беззапросной измерительной станции для

i–го НКА производится измерение задержки
 _i принятого сигнала, относительно системной (эталонной) ШВ. На основании этих измерений определяют псевдодальность =с_i этого НКА, отличающуюся от истинной дальности R_i на неизвестную, но постоянную за время определения навигационных параметров величину _i=с_i, где _i – сдвиг БШВ i-го НКА относительно СШВ.

Запросная измерительная станция фактически представляет собой радиолокатор с активным ответом. Путем измерения интервала времени _iз между излучением запросного сигнала и приемом сигнала, излученного бортовым ответчиком i-го НКА она определяет дальность до НКА R_iз = с_iз, погрешность которой не зависит от БШВ.

Результаты одновременных измерений с беззапросной и запросной измерительных станций поступают в ЦУС, где определяется значение сдвига БШВ i-го НКА относительно ШВ системы: .

Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС показал, что при собственной среднесуточной нестабильности БШВ порядка 310^-13 погрешность (СКО) взаимной синхронизации ШВ любых двух НКА равна 20 нс [9].

В октябре 2007 года в соответствии с программой повышения конкурентоспособности системы ГЛОНАСС осуществлен переход на полностью на беззапросную технологию расчета поправок для БШВ. При этом используются результаты одномоментных измерений псевдодальности до данного НКА, полученных с помощью нескольких измерительных станций, с точно известными координатами. Относительно этих измерений составляется система квадратных уравнений вида (3.2) (см. главу 3). Решение этой системы позволяет вычислить параметры орбиты и поправки БШВ данного НКА относительно СШВ.

Еще одной составной частью НКУ ГЛОНАСС является аппаратура контроля навигационного поля (АКНП) – высокоточная АП, установленная в точках с эталонными координатами и оснащенная высокоточным эталоном времени. Аппаратура обеспечивает контроль качества самого навигационного сигнала, а также информации, содержащихся в навигационных сообщениях НКА, путем решения навигационной задачи по каждому созвездию спутников и сравнения результатов с эталонными координатами.

В случае, если, с учетом всех факторов, влияющих на точность решения задачи, погрешность позиционирования превышает допустимую, принимаются следующие меры реагирования:

• на борт НКА передается команда о включении в кадр навигационной информации (НИ) признака непригодности сигнала НКА для проведения НВО;

• с использованием телеметрической информации проводится поиск причин некорректного формирования навигационного сигнала;

• после выявления и устранения этих причин производится пересчет и повторная закладка в бортовой компьютер уточненной навигационной информации (прогноза эфемерид, часов и др.).

Режим контроля навигационного сообщения предусматривает сравнение измеренных значений псевдодальностей и псевдоскоростей со значениями, рассчитанными на основании прогнозов, содержащихся в НС по всем НКА, находящимся в зоне радиовидимости АКНП. Одновременно контролируется отсутствие в НС сигнала запроса, формируемого бортовым компьютером в случае нештатной ситуации, выявленной в режиме самотестирования. Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС подтверждает, что перечисленных мер достаточно для поддержания расчетных характеристик навигационного поля.

Е ще одно направление развития системы связано с реализацией технологии автономной навигации, для реализации которой на НКА размещается бортовая аппаратура межспутниковых измерений (БАМИ), включающая в себя средства связи и обмена данными, а также программно-аппаратный комплекс, осуществляющий измерения расстояний между НКА и скоростей их относительного перемещения (Рис. 1.20). Результаты этих измерений позволяют дополнять и корректировать информацию, «загружаемую» с наземных контрольных станций и сохранить работоспособность системы при отсутствии такой информации. Для передачи информации используются передатчики мощностью 70…100 Вт, работающие в диапазоне 2,2 ГГц. Скорость передачи информации – порядка 500 бит/с, разделение сигналов – кодовое. (В настоящее время функционирует 5 НКА Глонасс-М, оснащенных аппаратурой БАМИ).

Рис. 1.20 Схема обмена информацией между

НКА в режиме автономной навигации

1.5.2 Global Positioning System (GPS)

Орбитальная группировка

История создания GPS ведет свое начало с 1973 г., когда Министерства обороны США приняло решение начать разработку, испытания и развертывание среднеорбитальную навигационной систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging ), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т.е. определение мгновенного положения и скорости потребителей, и синхронизации их шкал времени.

Поскольку инициатором создания GPS являлось МО США то, в качестве первоочередных задач, предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. (Отсюда еще одно раннее название системы: «Оборонительная система спутниковой навигации» (англ. – Defense Navigation Satellite System, DNSS).

О днако конгресс США, по предположению Президента, обязал содействовать гражданскому применению GPS. В этой связи интересно отметить, что первым использовавшимся на практике образцом аппаратуры GPS, был коммерческий приёмник, созданный в конце 80-х годов для геодезических работ – относительных навигационных определений на коротких базовых линиях с точностью единиц миллиметра (СКО). (Торговое название приемника – Macrometer Interferometric Surveyor^TM, разработчик – С. Counselman, рис. 1.20). На момент начала применения этого приемника аппаратура, спроектированная в интересах МО США, еще только проходила испытания. Рис. 1.20 Первая геодезическая НАП

Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, еще примерно 4 года ушло на разработку и изготовления НКА 1-го поколения, получившего название Block I, который был запущен 22 февраля 1978 г.

За последующее десятилетие было произведено порядка 10 запусков НКА серии «Block I», которые были использованы для отработки технических решений. Началом развертывания рабочей группировки НКА GPS можно считать запуск в 1989г. первого аппарата серии «Block II» (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Навигационный космический аппарат GPS Block II/IIA

Важно отметить, что если все сигналы НКА Block I были открытыми, то НКА Block II излучали сигналы с открытым и санкционированным доступом. В 1989-1990 г. г. было запущено 9 НКА серии «Block II», одновременно велась разработка модернизированного НКА Block IIА. На НКА Block IIА была установлена аппаратура межспутниковой связи и обнаружения ядерных взрывов, кроме того НКА Block IIA №13 и №15 были оборудованы лазерными отражателями для проведения траекторных измерений с использованием квантово-оптических средств. Последний из 19 НКА данной серии был запущен 11 ноября 1997 года. В настоящее время в составе орбитальной группировки находятся 9 НКА данного типа.

Создание следующего поколения НКА – Block IIR («R» – replacement – замена, англ) было направлено на увеличение срока активного существования и улучшения тактико-технических характеристик.

Рис. 1.22 Навигационный космический аппарат GPS Block IIR

НКА Block IIR способны определять свое местоположение посредством межспутниковых измерений относительно других НКА данного типа. Бортовые вычислительные комплексы НКА Block IIR могут быть перепрограммированы в полете для исключения и исправления ошибок в работе бортовой аппаратуры, повышена также и радиационная стойкость аппаратуры. Впервые были реализованы гибкие алгоритмы управления, позволяющие восполнять орбитальную группировку данными типами НКА при общей длительности процедуры транспортировки, запуска и ввода в систему в течении 60 дней.

25 сентября 2005 г. был запущен первый модернизированный НКА Блок IIR-М («М» – modernized, англ., рис. 1.23).

Рис. 1.23 Навигационный космический аппарат GPS Block IIR(M)

Данные НКА впервые предоставили гражданским потребителям возможность использовать в частотном диапазоне L2 сигнал, получивший условное обозначение L2C, кроме того в диапазонах L1 и L2 были введены новые военные навигационные сигналы, модулированные M-кодом (подробнее см. главу 4).

В настоящее время орбитальная группировки восполняется запуском НКА Block IIF («F» – follow on, – продолжение, англ.), разработанного компанией Boeing (рис. 1.24).

Рис.1.24 Навигационный космический аппарат GPS Block IIF

Характеристики

Список файлов лекций