5.5.2. Системы точного времени глонасс и gps

5.5.2.1. Система глонасс

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система - полномасштабная отечествен­ная спутниковая радионавигационная система (СРНС) - предназначена для непрерывного и вы­сокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения, вектора скоро­сти движения, а также времени для широкого класса объектов-пользователей (космических, авиационных, морских и наземных) [264].

Развертывание спутниковой группировки этой системы до ее штатного состава - 24 нави­гационных спутника (НС) было завершено в 1995 г. [265]. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

• подсистемы космических аппаратов (ПКА);

• подсистемы (наземного) контроля и управления (ПКУ);

• аппаратуры пользователей (АП).

Структура ПКА такова, что пользователь в каждой точке земной поверхности и околозем­ного пространства может в любой момент времени одновременно наблюдать 4 спутника, взаимное расположение и качество сигналов которых позволит ему осуществить (с помощью АП) безза­просные измерения дальности и радиальной скорости до них. Вместо четырех достаточно бывает и трех спутников, если используется дополнительная информация. В результате обработки этой информации, а также информации, содержащейся в радиосообщениях системы, ГЛОНАСС опре­деляет три (или две) координаты пользователя, величину и направление вектора его путевой ско­рости, а также текущее время.

Эта задача может быть нормально решена, если используются три или шесть орбитальных плоскостей с числом спутников в каждой из них не менее 7 (для 3 плоскостей) или 4 (для 6 плос­костей).

5.5.2.2. Система gps

Глобальная навигационная спутниковая система GPS [266] - разработана по заказу МО США. Система предназначена для определения пространственного местоположения, вектора скорости, ускорения и времени, см. параметры в табл. 5-2. В 1994 г. было завершено развертывание спутни-

ковой группировки этой системы до ее штатного состава - 24 НС, а с 1995 г. началась ее коммер­ческая эксплуатация. Система GPS была предназначена в конечном счете на только для военного, но и для гражданского применения (она призвана служить заменой системы LORAN-C) согласно директив и обязательств руководства США от 27.03.95).

Учитывая это, практически все современные системы SDH зарубежного производства бы­ли адаптированы для использования сигналов датчиков GPS. Однако, согласно приказу Минсвязи РФ №113 (от 03.07.98) [128], использование сигналов GPS на сетях ВСС РФ было разрешено только до 1.01.99. В качестве альтернативы в [128] предлагалось использовать сигналы системы ГЛОНАСС. В результате определенных сложностей, связанных с использованием ГЛОНАСС, ряд российских операторов связи, использующих импортную аппаратуру SDH, продолжают синхро­низировать свои сети от старой, но устойчиво работающей системы LORAN-C.

5.5.2.3. Параметры систем ГЛОНАС и GPS

Системы ГЛОНАСС и GPS имеют разную структуру ПКА (см. табл. 5-2 [264]), но состоят из ор­битальных группировок с одинаковым числом НС (до 24 с учетом 3 резервных), сети наземных станций наблюдения и пользовательских навигационных приемников. Все спутники обеих систем являются автономными, параметры их орбит контролируются наземными станциями наблюдения, которые регистрируют их отклонения от расчетных траекторий, определяют собственное время бортовых часов и контролируют исправность навигационной аппаратуры.

Основные параметры обеих систем сведены в табл. 5-2. Некоторые из них требуют допол­нительных пояснений.

Каждый спутник излучает специальные навигационные сигналы, используя два радиока­нала L1 и L2 по 24 несущих частоты в каждом (для ГЛОНАСС, использующей технологию FDMA) или две частоты L1 и L2 (для GPS, использующей технологию CDMA).

Эти сигналы имеют вид фазоманипулированпой псевдослучайной последовательности (ФМ-ПСП), передаваемой с определенной частотой и периодом повторения. В новой версии сис­темы ГЛОНАСС-М частоты в радиоканале L1 для каналов с 16 по 20 не будут использоваться, как занятые международными радиоастрономическими каналами, в результате их общее число в окончательном виде сократиться до 12 и они будут занимать полосу с 1508,0625 до 1604,25 МГц.

В радиоканале L1 системы ГЛОНАСС передаются два сигнала: стандартной точности (СТ) и высокой точности (ВТ), тогда как в L2 - только один - ВТ. Сигнал СТ доступен всем пользователям, тогда как сигнал ВТ модулирован специальным кодом и доступен ограниченному кругу пользователей, имеющих разрешение МО РФ. В модернизированной системе ГЛОНАСС-М предполагается передавать и сигнал СТ в радиоканале L2.

В системе GPS аналогично используются два режима функционирования: грубый (С/А код), использующий ПСП с тактовой частотой 1,023 МГц и периодом повторения 1 мкс, и точ­ный (Р код), использующий ПСП с тактовой частотой 10,23 МГц и периодом повторения 7 дней. Грубый режим является общедоступным и получается специальным загрублением точного сигна­ла (используется сециальный генератор джиггера), тогда как точный доступен избранным пользо­вателям (военные и федеральные службы США, а также пользователи шифрованной версии Р ко­да - Y кода - с ключами доступа в режиме SA).

Кроме кодовых последовательностей навигационный спутник регулярно передает на час­тотах L1 или L2 навигационные сообщения со скоростью 50 бит/с, содержащие оперативную и неоперативную (так называемый альманах системы) навигационную информацию (НИ) - допол­нительные сведения о состоянии спутника и его параметров: бортовом времени, эфемеридах", прогнозе ионосферной задержки, показателях ошибок и работоспособности, справочные данные из базы данных и поправки.

Навигационная информация в указанных сообщения структурирована по кадрам. Для ГЛОНАСС кадр имеет длину 1500 бит и состоит из 15 строк-записей по 100 бит. Пять кадров ор­ганизованы в суперкадр, имеющий длину 7500 бит, передаваемых за 2,5 мин. Для GPS кадр имеет ту же длину 1500 бит, но суперкадр организован из 25 кадров и имеет общую длину 37500 бит, передаваемых за 12,5 мин.

5.5.2.4. Определение текущего времени пользователя в системе ГЛОНАС

Не вдаваясь в подробности определения координат пользователя и его путевой скорости, рассмот­рим чуть более подробно определение текущего времени пользователя с помощью указанных сис­тем на примере системы ГЛОНАСС.

Эта система функционирует на основе трех синхронизируемых шкал времени:

• системной шкалы времени (СШВ), основанной на атомном (водородном) системном этало­ не времени и частоты (СЭВЧ) наземного командно-измерительного комплекса (КИК), имеющем относительную точность МО"¹³ с и стабильность 5-10"¹⁴ с/сутки и корректируемом в свою очередь от UTC (ГЭВЧ) два раза в год (с 30.6 на 1.7 и с 31.12 на 1.1);

• бортовой шкалы времени (БШВ), формируемой с помощью атомного бортового эталона времени и частоты (БЭВЧ), имеющего относительную погрешность 7-10"'² и стабильность 5-10"'³; к ней привязываются навигационные сигналы НС, а она, в свою очередь, синхронизиру­ ется с помощью процедуры сверки с СШВ (погрешность сверки <5 не, что обеспечивает точ­ ность взаимной синхронизации сигналов НС порядка 20 не на интервале 12 часов) и корректи­ руется аппаратно при уходе БШВ более 1 мс;

• шкалы времени пользователя (ШВП), поддерживаемой опорным кварцевым генератором и синхронизируемой с помощью навигационных сигналов с НС.

Синхронизация ШВП основана (один из наиболее распространенных способов) на исполь­зовании указанных навигационных сигналов как для расчета текущего ухода БШВ от СШВ, так и

привязки ШВП к СШВ и СШВ к UTC путем вычисления необходимых поправок. Для сверки БШВ и СШВ используется система контроля фаз (СКФ), осуществляющая активные и пассив­ные измерения дальности до НС подсистемой ПКУ. Для привязки указанных шкал времени ис­пользуется специальная аппаратура привязки.

В результате осуществления указанной процедуры синхронизации итоговая точность вы­числения времени пользователя составляет для ГЛОНАСС 1 мкс, а для GPS 0,34 мкс в режиме общего доступа и 0,18 мкс в режиме селективного доступа. Предполагается, что на втором этапе развертывания системы ГЛОНАСС точность вычисления времени будет повышена с 1 мкс до де­сятков наносекунд за счет повышения точности синхронизации сигналов НС до 15 не за 24 часа.