1.5. История создания, современное состояние и тенденции развития ГНСС (1151909), страница 2
Текст из файла (страница 2)
СКО расчета (прогноза) параметров орбит НКА не должнопревышать 1 м., поэтому при расчетах необходимо учитывать такие факторы,как световое давление на НКА, влияние релятивистских эффектов на гравитационное поле Земли, неравномерность вращения Земли и ее полюсов, а такженаличие реактивных сил, связанных с газоотделением материалов покрытияНКА. В большинстве других космических приложений влиянием этих факто-ров пренебрегают.Центральный синхронизатор обеспечивает высокоточную, с погрешностью до единиц нс, синхронизацию бортовых и системной шкал времени (расхождение этих шкал в 10 нс приводит к погрешности измерения псевдодальности порядка 3 м).
Для решения этой задачи в настоящее время используютсяназемные водородные стандарты частоты с относительной нестабильностьюпорядка 1х10-14, а также наземные средства сличения шкал с погрешностью3…5 нс. Шкала центрального синхронизатора ГЛОНАСС «привязана» к национальной шкале времени России UTC (SU) (см. главу 2).Контрольные станции осуществляют траекторные и временные измерения, необходимые для формирования эфемеридной информации и оценки расхождений БШВ относительно СШВ, а также ведут прием телеметрической информации и передачу («закладку») информации на борт НКА. РаспределениеКС по территории России иллюстрирует рис. 1.19.Рис. 1.19 Размещение контрольных станций на территории РФИмеющаяся 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. СетьКС обладает достаточной избыточностью, поэтому выход из строя одной стан-ции не приводит к ухудшению параметров системы. В наихудшем случае работоспособность системы ГНСС ГЛОНАСС может обеспечить ЦУС совместновсего с одной КС, однако при это интенсивность работы КС будет близка кпредельно допустимой.Для периодической юстировки радиотехнических КС используютсяквантово-оптические станции (КОС); на НКА для этого размещаются специальные оптические отражатели. Всего используется около 20 таких комплексовтрех 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 0,5...2 («Майданак»);2…3” («Эталон»).Как следует из сказанного, структура сети КС ГЛОНАСС полностьюобеспечивает 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 ичастотно-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 дляi–гоНКАпроизводитсяизмерениезадержки i принятого сигнала, относительно системной (эталонной) ШВ.
На основанииэтих измерений определяют псевдодальность Rˆ i =сi этого НКА, отличающуюся от истинной дальности Ri на неизвестную, но постоянную за время определения навигационных параметров величину R i=сi, гдего НКА относительно СШВ.i – сдвиг БШВ i-Запросная измерительная станция фактически представляет собой радиолокатор с активным ответом. Путем измерения интервала времени iз междуизлучением запросного сигнала и приемом сигнала, излученного бортовым ответчиком i-го НКА она определяет дальность до НКА Riз = сiз, погрешностькоторой не зависит от БШВ.Результаты одновременных измерений с беззапросной и запросной измерительных станций поступают в ЦУС, где определяется значение сдвигаБШВ i-го НКА относительно ШВ системы: i ( Rˆ i Riз ) c .Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС показал, что при собственнойсреднесуточной нестабильности БШВ порядка 310-13 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 известнымикоординатами. Относительно этих измерений составляется система квадратныхуравнений вида (3.2) (см. главу 3). Решение этой системы позволяет вычислитьпараметры 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 исравнения результатов с эталонными координатами.В случае, если, с учетом всех факторов, влияющих на точность решениязадачи, погрешность позиционирования превышает допустимую, принимаютсяследующие меры реагирования:• на борт НКА передается команда о включении в кадр навигационнойинформации (НИ) признака непригодности сигнала НКА для проведения НВО;• с использованием телеметрической информации проводится поискпричин некорректного формирования навигационного сигнала;• после выявления и устранения этих причин производится пересчет иповторная закладка в бортовой компьютер уточненной навигационной информации (прогноза эфемерид, часов и др.).Режим контроля навигационного сообщения предусматривает сравнениеизмеренных значений псевдодальностей и псевдоскоростей со значениями,рассчитанными на основании прогнозов, содержащихся в НС по всем НКА,находящимся в зоне радиовидимости АКНП.
Одновременно контролируетсяотсутствие в НС сигнала запроса, формируемого бортовым компьютером вслучае нештатной ситуации, выявленной в режиме самотестирования. Опытэксплуатации ГНСС ГЛОНАСС подтверждает, что перечисленных мер достаточно для поддержания расчетных характеристик навигационного поля.Еще 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 программноаппаратный комплекс, осуществляющий измерения расстояний между НКАи скоростей их относительного перемещения (Рис. 1.20).
Результаты этихизмерений позволяют дополнять и корректировать информацию, «загружаемую» с наземных контрольных станций и сохранить работоспособность системы при отсутствии такой информации. Дляпередачи информации используются передатчики мощностью 70…100 Вт, работающие вдиапазоне 2,2 ГГц.
Скорость передачи информации – порядка 500 бит/с, разделениесигналов – кодовое. (В настоящее времяфункционирует 5 НКА Глонасс-М, оснащен-ных аппаратурой БАМИ).Рис. 1.20 Схема обмена информацией междуНКА в режиме автономной навигации1.5.2 Global Positioning System (GPS)Орбитальная группировкаИстория создания GPS ведет свое начало с 1973 г., когда Министерстваобороны 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 инациональной безопасности. (Отсюда еще одно раннее название системы:«Оборонительная система спутниковой навигации» (англ. – Defense NavigationSatellite System, DNSS).Однако 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 точностьюединиц миллиметра (СКО). (Торговое названиеприемника–MacrometerInterferometricSurveyorTM, разработчик – С. Counselman, рис.1.20). На момент начала применения этого приемника аппаратура, спроектированная в интересах МО США, еще только проходила испытания.Рис.
1.20Первая геодезическая НАПРазработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно5 лет, еще примерно 4 года ушло на разработку и изготовления НКА 1-го поколения, получившего название Block I, который был запущен 22 февраля1978 г.За последующее десятилетие было произведено порядка 10 запусковНКА серии «Block I», которые были использованы для отработки техническихрешений. 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/IIAВажно 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», одновременновелась разработка модернизированного НКА Block IIА. На НКА Block IIА была установлена аппаратура межспутниковой связи и обнаружения ядерныхвзрывов, кроме того НКА Block IIA №13 и №15 были оборудованы лазернымиотражателями для проведения траекторных измерений с использованием квантово-оптических средств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
