Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Sb95858

.pdf
Скачиваний:
10
Добавлен:
13.02.2021
Размер:
730.38 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Д. П. ЛУКЬЯНОВ С. Ю. ШЕВЧЕНКО

СЕТЕВЫЕ СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Электронное учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 629.051(07)

ББК З 95-5я7 + З 884.17я7 С33

Лукьянов Д. П., Шевченко С. Ю.

С33 Сетевые спутниковые радионавигационные системы: электрон. учеб.- метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 35 с.

ISBN 978-5-7629-2175-6

Содержит основные сведения о спутниковых навигационных системах и указания к лабораторным работам по дисциплинам «Методы и средства навигации» и «Приборы и системы навигации».

Предназначены для студентов направлений 12.03.01 «Приборостроение» и 27.03.04 «Управление в технических системах».

УДК 629.051(07)

ББК З 95-5я7 + З 884.17я7

Рецензент – канд. техн. наук А. Ю. Соколов (АО «Концерн “ЦНИИ Электроприбор”»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебно-методического пособия

ISBN 978-5-7629-2175-6

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017

2

Список используемых сокращений

АБ – антенный блок; ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система (Россия); ДД – дифференциальные данные;

ИУПО – информационно-управляющее программное обеспечение; ККС, контрольно-корректирующая станция – станция, расположенная в точ-

ке с точно известными координатами и работающая по сигналам GPS, ГЛОНАСС; МПИ – модуль приемоизмерителя;

НКА – навигационный космический аппарат; ПДД – приемник дифференциальных данных;

ПЗ-90 – модель Земли, используемая СРНС ГЛОНАСС; ПИК – приемоизмерительный канал; ПК – персональный компьютер; ПО – программное обеспечение;

РНП – радионавигационный параметр; РПУ – радиоприемное устройство; СВ – специализированный вычислитель; СИ – служебная информация;

СРНС – спутниковая радионавигационная система; СТ – навигационные радиосигналы СРНС стандартной точности; СЧ – стандарт частоты; УЦО – устройство цифровой обработки; ШВ – шкала времени;

BINARY – режим обмена сообщений МПИ K-161В;

GPS, Global Positioning System – глобальная система определения места (США); GDOP, Geometric Dilution of Precision – геометрический фактор снижения точности для суммарной погрешности трех координат положения и времени; HDOP – для суммарной погрешности координат в плане (широты и долготы); PDOP – для суммарной погрешности трех координат положения;

TDOP – для погрешности времени;

VDOP – для погрешности высоты;

WGS-84 – модель Земли, используемая СРНС GPS.

Основные сведения

Второе поколение современных сетевых спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS предназначено для определения параметров движения различных подвижных объектов: морских и воздушных судов, наземного и морского транспорта и др.

Сетевая спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС со-

стоит из трех основных сегментов:

1)сегмент навигационных космических аппаратов (НКА);

2)сегмент контроля и управления, который состоит из Центра управления СРНС ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи подсистемы входит контроль правильности функционирования НКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на НКА временных программ работы, команд управления и цифровой служебной информации;

3)сегмент потребителей, использующих различные типы приемоизмерите-

лей для решения задач навигации по сигналам НКА.

Подсистема НКА СРНС ГЛОНАСС состоит из 24 НКА, находящихся на круговых орбитах с высотой 19 100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 ч 15 мин 45 с. НКА расположены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости равномерно размещаются 8 НКА. Кроме этого, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по широте на 15°. Такая конфигурация обеспечивает прямую видимость от четырех до девяти НКА в любой точке Земли.

Каждый НКА СРНС ГЛОНАСС передает радионавигационные сигналы

вдвух частотных поддиапазонах L1 и L2.

Всистеме ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. НКА, находящиеся на противоположных точках орбитальной плоскости могут передавать радиосигналы на одинаковых частотах.

Врадиолинии частотного поддиапазона L1 HKA ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности (СТ) и высокой точности.

Сигнал СТ с тактовой частотой 0,511 МГц доступен для всех пользователей, оснащенных соответствующей аппаратурой и в зоне видимости кото-

рых находятся HKA CPHC ГЛОНАСС.

4

Номинальные значения несущих частот радиосигналов HKA CPHC ГЛОНАСС в частотном поддиапазоне L1 определяется следующим выражением:

f = 1602 + 0,5625K (МГц),

где K – номера литеры несущей частоты, излучаемой НКА.

В настоящее время находящиеся в эксплуатации HKA CPHC ГЛОНАСС используют литеры частот K = 0…12. Мощность радиосигнала любого НКА

вточке приема на изотропную антенну составляет –156…161 дБ Вт.

Всистеме ГЛОНАСС не используется режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала СТ.

Радиосигнал, передаваемый каждым НКА СРНС ГЛОНАСС на собственной несущей частоте поддиапазона L1, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей частоты

осуществляется на радиан. Эта частота модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного дальномерного кода, цифровой служебной информации (СИ) и вспомогательного меандрового колебания. Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты (СЧ) НКА.

СИ предназначена для проведения пользователем навигационных определений и для планирования сеансов работы и передается в виде непрерывно повторяющихся суперкадров длительностью 2,5 мин, каждый из которых состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с. Начало суток по бортовому времени НКА совпадает с началом суперкадра СИ. СИ подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

В составе оперативной информации, соответствующей тому НКА, с борта которого передается данный радиосигнал, сообщаются:

время начала кадра внутри текущих суток в шкале времени (ШВ) НКА (часы, минуты, количество 30-секундных интервалов от начала текущей минуты);

время внутри текущих суток по шкале времени UTC (SU) + 03 ч 00 мин (бывшее московское зимнее) с дискретностью 15 мин;

расхождение ШВ НКА от системной ШВ СРНС ГЛОНАСС;

эфемериды НКА (текущие координаты, скорости и ускорения в прямоугольной геоцентрической системе координат, принятой в СРНС).

5

В составе неоперативной информации (альманаха СРНС), которая относится ко всем НКА, входящим в состав СРНС, передаются:

расхождение системной ШВ СРНС ГЛОНАСС от ШВ UTC (SU) плюс 3 ч на начало суток с номером NА в диапазоне ± 1 с;

календарный номер суток NА внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года, к которым относятся поправки времени и данные альманаха СРНС в диапазоне от 1 до 1461 включительно;

данные о состоянии всех НКА СРНС (альманах состояния);

грубое значение расхождения ШВ каждого НКА от системной ШВ СРНС ГЛОНАСС (альманах фаз);

параметры орбит всех НКА СРНС (альманах орбит).

Передаваемые каждым НКА СРНС ГЛОНАСС в составе оперативной

информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА и связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90, определяемой следующим образом:

начало координат расположено в центре Земли;

ось Z направлена к среднему северному полюсу на среднюю эпоху 1900–1905 гг., как определено в решениях Международного астрономического союза и Международной ассоциации геодезии;

ось X лежит в плоскости земного экватора эпохи 1900–1905 гг., плоскость XOZ параллельна среднему гринвичскому меридиану и определяет положение нуль-пункта принятой системы счета долгот;

ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Геодезические координаты точки в системе координат ПЗ-90 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси которого равно 6 378 136 м, а знаменатель полярного сжатия равен 1/298,257.

Основой для формирования системной ШВ СРНС ГЛОНАСС является водородный СЧ Центрального синхронизатора системы, суточная нестабиль-

ность которого составляет 5 10–14.

Расхождение ШВ СРНС ГЛОНАСС с ШВ государственного эталона координированного всемирного времени (UTC Россия) с учетом постоянного сдвига на 3 ч не должно превышать 1 мс, а погрешность привязки системной ШВ СРНС ГЛОНАСС к ШВ UTC (SU) не должна превышать 1 мкс.

6

Системная ШВ СРНС ГЛОНАСС корректируется одновременно с коррекциями на целое число секунд ШВ UTC, планово проводимыми Службой всемирного времени. Эти коррекции осуществляются в 00 ч 00 мин 00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 дек. на 1 янв., о чем пользователям заблаговременно сообщается.

Текущее время по системной ШВ СРНС ГЛОНАСС, передаваемое для пользователей в составе эфемеридной информации радиосигнала СТ, представлено в формате времени в течение текущих суток: часы, минуты и количество полуминутных интервалов, прошедших с начала текущей минуты.

Дополнительная информация о времени по системной ШВ СРНС ГЛОНАСС для пользователей содержится в номере строки кадра оперативной информации, так как длительность передачи строки кадра для радиосигнала СТ равна 2 с.

Системная ШВ СРНС ГЛОНАСС расходится с ШВ UTC (SU) на постоянную величину (3 ч), и на поправку, передаваемую с НКА в составе альманаха.

Спутниковая радионавигационная система GPS – Global Positioning System состоит из трех основных сегментов:

1)сегмент НКА;

2)сегмент контроля и управления. В задачи этой подсистемы входит контроль правильности функционирования НКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на НКА команд управления и СИ.

3)сегмент потребителей, использующих различные типы приемоизмерителей для решения задач навигации временной шкалы по сигналам НКА. Подсистема НКА СРНС GPS состоит из 24 спутников (плюс три допол-

нительных действующих резервных спутника), находящихся на почти круговых орбитах высотой около 20 200 км, наклонением 55° и периодом обращения 12 ч. НКА расположены в шести орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 60 . В каждой орбитальной плоскости равномерно размещаются 4 НКА. Дополнительно в первой, третьей и пятой плоскостях установлено по одному резервному действующему НКА. Такая конфигурация НКА позволяет обеспечить в любой точке Земли одновременное нахождение в поле зрения от 4 до 8 спутников системы с углом места не более 15°.

Каждый НКА СРНС GPS передает радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 = 1,57542 ГГц и L2 = 1,22760 ГГц). В системе GPS используется кодовое разделение радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2.

7

В радиолинии частотного поддиапазона L1 НКА GPS передают радиосигналы двух типов: стандартной точности (С/А-код) и высокой точности (Р-код). Сигнал с тактовой частотой 1,023 МГц доступен для всех пользователей, которые оснащены соответствующей приемной антенной и в зоне видимости которых находятся НКА СРНС GPS. Сигнал высокой точности предназначен для военных пользователей США и других уполномоченных ими пользователей. Номинальное значение несущей частоты радиосигналов НКА CPHC GPS в частотном поддиапазоне L1 равно 1575,42 МГц. Минимальная мощность радиосигнала, принимаемого пользователем при нулевом усилении приемной антенны, составляет –160 дБ Вт.

В системе GPS предусмотрен и почти всегда используется режим преднамеренного ухудшения характеристик сигнала СТ (селективный режим до-

ступа – S/A).

Радиосигнал, передаваемый каждым НКА системы GPS на собственной несущей частоте поддиапазона L1, является многокомпонентным манипулированным сигналом. Несущая частота модулируется двоичной последовательностью, образованной комбинацией псевдослучайных дальномерных кодов L1 СИ. Фазовая манипуляция несущей частоты осуществляется на радиан. Основой для формирования всех компонентов сигнала является бортовой СЧ НКА.

СИ предназначена для проведения пользователем навигационных определений и для планирования сеансов навигации и передается в виде 25 непрерывно повторяющихся кадров общей длительностью 12,5 мин. Передача одного кадра занимает 30 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров длительностью 6 с каждый. Каждый подкадр состоит из 10 слов. Начало суток по бортовому времени НКА совпадает с началом передачи первого кадра СИ. СИ подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

Всоставе оперативной информации, соответствующей тому НКА, с борта которого передается данный радиосигнал, передаются:

количество недель (0…1023), прошедших от момента полуночи между 5

и6 янв. 1980 г. и текущим временем. Максимальное количество недель равно 1024, что составляет около 19,625 лет. По достижении максимального количества недель счет продолжается от нуля;

количество интервалов времени, равных 6 с, прошедших от начала недели;

эфемериды НКА.

Всоставе неоперативной информации (альманаха СРНС), которая относится ко всем НКА, входящим в состав СРНС, передаются:

8

данные о состоянии всех НКА системы;

расхождение ШВ каждого НКА от системной ШВ GPS;

параметры орбит всех НКА системы;

расхождение системной ШВ GPS от ШВ UTC (USNO) (США).

Передаваемые каждым НКА системы GPS в составе оперативной информации эфемериды описывают с помощью орбитальных параметров Кеплера положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат, относящейся к эллипсоиду WGS-84, определяемой следующим образом:

начало координат расположено в центре Земли (геометрическом центре эллипсоида WGS-84);

ось Z (ось вращения эллипсоида WGS-84) параллельна обычному международному направлению на север, определенному Международным бюро времени (BIH) на основе широт, принятых для BIH-станций на эпоху

1984 г.;

ось X (ось эллипсоида WGS-84) лежит на пересечении плоскости нулевого меридиана WGS-84 и плоскости среднего астрономического экватора; нулевой меридиан WGS-84 параллелен нулевому меридиану, определенному BIH на основе долгот, принятых для BIH-станций на эпоху 1984 г.;

ось Y (ось эллипсоида WGS-84) дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой системы координат и лежит в плоскости среднего астрономического экватора на 90° к востоку от оси X.

Геодезические координаты точки в системе координат WGS-84 относятся к эллипсоиду, значение большой полуоси которого равно 6 378 137 м, а знаменатель полярного сжатия равен 1/298,257223563.

Основой для формирования системной ШВ СРНС GPS служит водородный СЧ, суточная нестабильность которого составляет 5 10–14.

Системная ШВ СРНС GPS не корректируется одновременно с коррекциями на целое число секунд ШВ UTC, планово проводимыми Службой всемирного времени в 00 ч 00 мин 00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 дек. на 1 янв. Однако эти коррекции учитываются в целой части секунд расхождения системной ШВ СРНС GPS с ШВ UTC (USNO), передаваемой в составе альманаха СРНС.

Текущее время по системной ШВ СРНС GPS, передаваемое пользователям в составе эфемеридной информации радиосигнала, представлено в фор-

9

мате номера недели (от 0 до 1023), отсчитываемого от полуночи между 5 и 6 янв. 1980 г., и количества временных интервалов, равных 6 с, прошедших с начала текущей недели.

Дополнительная информация о системной ШВ СРНС GPS для пользователей содержится в номере слова подкадра оперативной информации, так как длительность передачи слова подкадра для радиосигнала равна 1,5 с.

Системная ШВ СРНС GPS отличается от ШВ UTC (USNO) на поправку, передаваемую с НКА в составе альманаха.

Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МПИ

Цели работы:

1.Изучение особенностей спутниковой навигационной системы на примере модуля приемоизмерителя «К-161В»;

2.Ознакомление и изучение возможностей программы информационноизмерительного программного обеспечения ШВЕА.10303-02;

3.Получение навыков обработки информации с использованием программных средств персонального компьютера.

1.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой систему, состоящую из модуля приемоизмерителя (МПИ) «К-161В», питаемого от дополнительного адаптера, ненаправленной антенны (А) и специальных соединительных кабе-

 

лей, соединяющих модуль приемоизмерителя

 

«К-161В» с внешней антенной и с персональ-

 

ным компьютером (ПК) (рис. 1.1).

 

Функциональная схема

приемоизмери-

 

теля МПИ К-161В-А-Н-SМВ-02-02-13 пред-

 

ставлена на рис. 1.2, где РПУ – радиоприем-

 

ное устройство, СВ – специализированный

 

вычислитель, УЦО – устройство цифровой

 

обработки.

 

 

Следует заметить, что информационно-

Рис. 1.1

управляющее программное

обеспечение

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]