Спутниковые навигационные системы. Раздаточный материал

1.Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАССОктябрь 1982 г. - запущен первый навигационный спутник «Космос-1413»1995 г - завершено развертывание системы запуском 24-го спутника – навигационногокосмического аппарата (НКА).Параметры орбитТри орбитальные плоскости, разнесенные на 120º. Высота круговых орбит -19100 км.Наклонение орбит – 64.8º. Узлы положения НКА в каждой плоскости разнесены на 45º.Номинальный период обращения НКА – 11 ч. 15 мин. 44 с.Состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС на 5 сентября 2016 г.№№точки пл.№лит.НКУДатаДатаДатаввода в вывода иззапускасистему системыФакт.сущ.(мес.)Пригодность КА посообщениямПримечаниеальманаха эфемерид (UTC)110173014.12.09 30.01.1080.8++ 21:28 05.09.16Использ.

по ЦН21-474726.04.13 04.07.1340.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН310574404.11.11 08.12.1158.1++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН410674202.10.11 25.10.1159.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН510173414.12.09 10.01.1080.8++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН61-473314.12.09 24.01.1080.8++ 21:28 05.09.16Использ.

по ЦН710574504.11.11 18.12.1158.1++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН810674304.11.11 20.09.1258.1++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН92-670201.12.14 15.02.1621.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН102-771725.12.06 03.04.07116.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН1120075329.05.16 27.06.163.3++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН122-173702.09.10 12.10.1072.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН132-272125.12.07 08.02.08104.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН142-771525.12.06 03.04.07116.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН1520071625.12.06 12.10.07116.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН162-173602.09.10 04.10.1072.2++ 21:28 05.09.16Использ.

по ЦН1730475107.02.16 28.02.166.9++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН183-375424.03.14 14.04.1429.5++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН1930372026.10.07 25.11.07106.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН2030271926.10.07 27.11.07106.4++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН2130475514.06.14 03.08.1426.8++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН223-373102.03.10 28.03.1078.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН2330373202.03.10 28.03.1078.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН2430273502.03.10 28.03.1078.2++ 21:28 05.09.16Использ. по ЦН203-570126.02.1166.3На этапе ЛИ11272325.12.07 22.01.08 24.06.16104.4Резерв17371425.12.05 31.08.06 24.02.16128.4Резерв2.Навигационные сигналыДиапазон L1.Диапазон L2.f1,k = f1,0 + kf1 ; f1,0 = 1602 МГц, f1 = 0.5625 МГц, k = 1,2,…12f2,k = f2,0 + kf1 ; f2,0 = 1246 МГц, f1 = 0.4375 МГц, f1,k /f2,k = 9/7.Сигнал L1 – двухкомпонентный: синфазная компонента – узкополосный (F =1.022 МГц),квадратурная компонента – широкополосный (F =10.22 МГц).Сигнал L2 – однокомпонентный: только широкополосная компонента (в НКА второймодификации будет добавлена узкополосная компонента).Узкополосный радиосигнал L1 есть сумма по модулю 2 трех сигналов:1) псевдослучайная М-последовательность дальномерного кода длиной 511 дискрет,соответствующая характеристическому полиному Gд(x)=1+x5+x9, передаваемая соскоростью 511 кбит/с (период дискретизации – 1 мс) - код низкой точности2) цифровая информация (ЦИ) – навигационное сообщение, передаваемая со скоростью50 бит/с, состоящее из 85 двоичных символов общей продолжительностью 1.7 с3) меандр, используемый для символьной синхронизации, с частотой 100 бит/с.Метки времени (МВ) – М-последовательности длиной 30 дискрет длительностью 10 мс схарактеристическим полиномом Gд(x)=1+x3+x5.

Длительность МВ – 10 мс ×30 = 0.3 с. Спомощью МВ осуществляется строчная и символьная синхронизация ЦИ.Широкополосный радиосигнал L1 – сумма по модуля 2 М-последовательности с оченьбольшим периодом и частотой следования дискрет 5.11 МГц – дальномерный код высокойточности – и цифровой навигационной информации.Широкополосный радиосигнал L2 – сигнал, промодулированный такой же М-последовательностью без добавления ЦИ.Узкополосный сигнал – открытый и предназначен для гражданских потребителей.Широкополосный сигнал предназначен для санкционированных потребителей. Параметрыего кодирования являются закрытой информациейДиаграмма направленности передатчика НКА направлена вертикально вниз, имеет ширину38º и захватывает всю поверхность полушария Земли и приземное пространство высотой до2000 км.

Номинальная мощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземнымпотребителем на всенаправленную антенну составляет от - 57 до - 161 дБВт .3.Навигационное сообщениеЦИ формируется на основе данных, передаваемых на борт НКА наземным комплексомуправления (НКУ), и состоит из строк, кадров и суперкадров.Строка ЦИ состоит из 85 символов общей длительностью 2 с, передаваемых в относительном двоичном коде. Последние 8 символов – проверочные, позволяющие исправитьодиночный ошибочный символ и обнаружить две ошибки в строке.

Кадр состоит из 15 строк(30 с), суперкадр – 5 кадров (2.5 мин).В составе каждого кадра передается полный объем оперативной информации и частьальманаха. Полный альманах передается в пределах суперкадра.Оперативная информация содержит: 1) признаки достоверности ЦИ в кадре, 2) времяначала кадра tk, 3) эфемеридную информацию (ЭИ) – координаты и производные координатНКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t0,4) частотно-временные поправки на момент времени t0 (поправки к несущей частотерадиосигнала и бортовой шкале времени – БШВ). Время t0 привязки ЭИ и БШВ кратно30 мин с начала суток.Альманах системы содержит информацию о всех штатных НКА орбитальной группировки: 1) время последнего обновления альманаха, 2) параметры орбит каждого НКА,3) номер пары несущих частот и поправки к несущей частоте, 4) поправки к БШВ каждогоНКА.

Альманах необходим для планирования сеанса навигации (выбора наиболееподходящего созвездия НКА и определения доплеровских поправок к несущей частоте дляускорения поиска и захвата сигнала).Наземный комплекс управленияНКУ обеспечивает: 1) эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА, 2)мониторинг радионавигационного поля, 3) радиотелеметрический мониторинг НКА,4) командное и программное управление функционированием НКА.4.Принципы определения координат потребителяПо временным задержкам дальномерных псевдошумовых сигналов Ti определяется времяраспространения радиосигнала от i-го НКА до потребителя и рассчитываютсяпсевдодальности (ПД) Di = cTi. Предварительно проводится компенсация тропосферных иионосферных ошибок.

Тропосферная поправка находится по формуле:DTi = 8.8 cosec(i), где I – угол возвышения (угол места) i-го НКА.Компенсация ионосферной ошибки в двухчастотной (L1 и L2) дальномерной аппаратуреосуществляется на основе зависимости этой ошибки от квадрата несущей частоты:DИi = k/f2, где k – коэффициент пропорциональности.Тогда уточненное значение псевдодальностиDD1  D 2,1 где  = (f2 / f1)2 = (7/9)2, f1, f2 – частоты диапазонов L1 и L2, D1 и D2 – ПД, измеренные наэтих частотах.Определенные таким образом псевдодальности могут быть записаны в видеDi  (X  Xi ) 2  (Y  Yi ) 2  (Z  Zi ) 2  cT'  Di ,где (X, Y, Z) – прямоугольные координаты определяющегося объекта в геоцентрическойсистеме координат, (Xi, Yi, Zi) – такие же координаты i-го НКА (определяются изнавигационного сообщения);T’ – расхождение шкал времени НКА и потребителя (одинаковое для всех НКА),Di – погрешности определения псевдодальностей.Для определения X, Y, Z и T’ решается система как минимум из 4-х уравненийDi  (X  Xi ) 2  (Y  Yi ) 2  (Z  Zi ) 2  cT'  Di , i = 1,2,..NN – количество НКА, участвующих в измерениях.Обычно в поле видимости потребителя находится от 5 до 8 НКА.

При решении системыиз N>4 уравнений c 4-я неизвестными используется итеративный метод взвешенныхнаименьших квадратовk  k 1  (H T R 1 H) 1 H T R 1 (Dизм  D k 1 ) ,где k = (X, Y, Z, T),Dизм = (D1,… DN) – вектор измеренных псевдодальностей,H – матрица составленная из частных производныхD, R – ковариационная матрицаошибок измерения, учитывающая неравноточность некоторых измерений.Для перехода от прямоугольных геоцентрических координат X, Y, Z к геодезическимкоординатам В- широта, L – долгота, h – высота над поверхностью эллипсоида Землинеобходимо решить нелинейную систему уравненийX = (N + h) cosB cos L,Y = (N + h) cosB sinL,Z = [(1 - 2) N + n] sinB,где N = a (1 - 2 sin2B)-1/2, 2 = 2 - a,a = 6378245 м - большая ось эллипсоида, = 1/298.3 – относительное сжатие Земли.5.Точностные характеристики ГЛОНАСС6.Спутниковая радионавигационная система GPSПервые 4 НКА Блок-I запущены в 1978 г.

К 1995 г. система полностью развернута. Внастоящее время в системе 29-30 НКА Блок II-A, Блок II-R и Блок II-MПараметры орбитШесть орбитальных плоскостей A, B,… F, разнесенных на 60º. Высота круговых орбит 20180 км. Наклонение орбит – 55º. Номинальный период обращения НКА – 12 ч.Состояние орбитальной группировки GPS на 5 сентября 2016 г.№пл.ABПСП23129486IIR-M25.09.0613.10.06118.84732711IIR-M15.03.0824.03.08101.552438833II-F04.10.1214.11.1245.763039533II-F21.02.1430.05.1427.311627663II-R29.01.0318.02.03162.722536585II-F28.05.1027.08.1072.432826407II-R16.07.0017.08.00192.841229601IIR-M17.11.0613.12.06116.852640534II-F25.03.1520.04.1516.6104.26CDEFНомерТип КАNORADДатазапускаДата ввода в Дата выводасистемуиз системыФакт.сущ.(мес)№точки34661IIR-M24.03.0912932384IIR-M20.12.0702.01.0822739166II-F15.05.1321.06.1338.531928190II-R20.03.0405.04.04149.141728874IIR-M26.09.0513.11.05129.85840730II-F15.07.1512.08.1512.81228474II-R06.11.0422.11.04141.52137753II-F16.07.1114.10.1158.832127704II-R31.03.0312.04.03160.951125933II-R07.10.9903.01.00200.26639741II-F17.05.1410.06.1426.912026360II-R11.05.0001.06.00195.322228129II-R21.12.0312.01.04151.93535752IIR-M17.08.0927.08.0984.441826690II-R30.01.0115.02.01186.861041019II-F30.10.1509.12.158.91340294II-F29.10.1412.12.1420.811426605II-R10.11.0010.12.00189.021532260IIR-M17.10.0731.10.07106.331324876II-R23.07.9731.01.98223.342328361II-R23.06.0409.07.04146.053241328II-F05.02.1609.03.165.96940105II-F02.08.1417.09.1423.6Примечания7.Навигационные сигналыСигнал L1 - двухкомпонентный (две квадратурных фазоманипулированных составляющих) на несущей 1575.42 МГц.