Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

ординат. Кроме сглаживания избыточная информация позволяет измерить не только координаты — географичес­ кую широту и долготу, но и расхождение между шкалами времени потребителя и ИСЗ.

В рассматриваемой системе применяют два высокочас­ тотных сигнала: основной (400 МГц) и вспомогательный (150 МГц), что дает возможность произвести компенсацию ошибки, обусловленной ионосферной рефракцией при доп­ леровских измерениях. Передачу навигационной информа­ ции осуществляют путем фазовой модуляции обеих несу­ щих двоичными посылками ±60°, что сохраняет постоян­ ный уровень несущего колебания и обеспечивает устойчи­ вую работу канала фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) вне зависимости от передаваемой последователь­ ности информационных посылок.

При движении потребителя точность местоопределепия зависит от точности оценки скорости объекта. Это объясня­ ется тем, что для нахождения координат потребителя как точки пересечения нескольких поверхностей положения, соответствующих различным моментам времени, необходи­ мо линии положения привести к одному моменту времени. Точное решение этой задачи возможно лишь при известных параметрах движения потребителя в интервалах между оценками РНП. Например, при погрешности измерения скорости объекта ДИп=0,5 м/с погрешность местоопределения составляет 500 м, в то время как погрешность местоопределения неподвижного объекта приблизительно равна х 50 м.

Кроме того, в рассматриваемых СРНС невозможно непрерывно осуществлять местоопределение потребителей из-за наличия длительных перерывов между обсервациями (прохождениями спутниками зоны радиовидимости). Средний интервал времени между обсервациями зависит от географичес­ кой широты потребителя и колеблется от 35 мин в приполяр­ ных районах до 90 мин вблизи экватора. Уменьшение этого интервала путем увеличения числа спутников в данных системах невозможно, так как все ИСЗ излучают сигналы на одних и тех же частотах. При нахождении в зоне радиовидимости нескольких спутников возникают взаимные помехи, что нарушает работоспособность систем.

Таким образом, существующие низкоорбитные СРНС обладают по крайней мере двумя серьезными недостатка­ ми: малой точностью определения координат высокодина­ мичных объектов и большим интервалом времени между обсервациями.

301

§ 14.2. СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Несоответствие СРНС первого поколения требованиям вы­ сокоточного непрерывного навигационного обеспечения привело к разработке нового, второго, поколения СРНС. Характерными особенностями СРНС второго поколения являются применение средневысотных (среднеорбитных) ИСЗ и использование для навигационных определений сигналов нескольких одновременно находящихся в зоне радиовидимости ИСЗ. В состав СРНС входят подсистема ИСЗ, подсистема контроля и управления (наземный ко­ мандно-измерительный комплекс) и подсистема аппаратуры потребителей.

В состав космической подсистемы входят 18—24 ИСЗ, размещенные равномерно в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120° (рис. 14.4). Высота орбит ИСЗ 20 000 км, период обращения 12 ч. В зоне радиовиди­ мости потребителя в любой момент может находиться от 4 до 11 ИСЗ, что обеспечивает возможность непрерыв­ ного определения трех координат (долгота, широта, вы­ сота). СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Временные шкалы всех ИСЗ согласованы между собой и синхронизируется си­ стемой единого времени. Подсистема контроля и управле­ ния (наземный командно-измерительный комплекс) осуще­ ствляет слежение за ИСЗ и обеспечивает спутники информа­ цией, необходимой для формирования радионавигационных сигналов и навигационных сообщений.

Навигационная аппаратура потребителей (подсистема аппаратуры потребителей) производит выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и слежение за сигналами, обработку измеряемых РНП и эфемеридной информации для опреде­ ления координат и составляющих

скорости потребителей.

В рассматриваемой СРНС ИСЗ излучают двоичный фазоманипулированный сигнал (см. § 6.4), код которого является индивидуальной принадлежностью каждого ИСЗ. Это позволяет всем ИСЗ работать на общей несущей частоте, не со­ здавая заметных внутрисистемных помех. Измеряемыми радионавига­

302

ционными параметрами служат время запаздывания и до­ плеровское смещение частоты принимаемого радионави­ гационного сигнала относительно его образца, формиру­ емого на борту потребителя. Фазоманипулированный сиг­ нал, имеющий базу ГэГка;1000 (F3 — эффективная ширина спектра; Тк — период кода), излучается на несущей частоте

1,5 ГГц, обеспечивая высокую точность измерения обоих параметров. Время запаздывания принятого сигнала от­ носительно шкалы времени потребителя включает началь­ ное расхождение шкал времени потребителя и ИСЗ и за­ держку распространения сигнала на трассе ИСЗ — потреби­ тель. Если фазы опорных генераторов потребителя и ИСЗ совпадают (расхождение шкал времени равно нулю), то измеряемое время запаздывания пропорционально даль­ ности между ИСЗ и потребителем. В противном случае оно пропорционально квазидальности (псевдодальности) и для оценки координат необходимо использовать квазидальномерные или разностно-дальномерные измерения подобно тому, как это делается в наземных РНС.

Измерение времени запаздывания принимаемого сигна­ ла производится на основе корреляционного метода. Формируемая в приемнике копия сигнала ИСЗ перемножа­ ется с принятым сигналом, образуя корреляционную функцию. Выходной сигнал коррелятора достигает макси­ мального значения, пропорционального числу элементов кода, когда формируемая копия (образец) совпадает по времени и частоте с принимаемым сигналом. Получаемый максимум функции корреляции пропорционален времени интегрирования в корреляторе. Выбором достаточно боль­ шого времени интегрирования достигается высокая точ­ ность измерения.

Поиск максимума функции корреляции на плоскости время—частота тем надежнее, чем меньше уровень боко­ вых лепестков. В связи с тем что сигналом является

поиска.

В связи с тем что для определения координат необходимо иметь сведения о местоположении ИСЗ на каждый момент времени, в рассматриваемой СРНС, как и в СРНС первого поколения, на борту потребителя следует располагать эфемеридной информацией. Для этого на борту ИСЗ дальномерный ФМ радионавигационный сигнал подвергается дополнительной фазовой манипуляции

303

на 0 и 180° в соответствии с информационным сообщени­ ем, представленным последо­ вательностью нулей и единиц. Требуемая скорость передачи информации (эфемериды, по­ правки на распространение ра­ диоволн и др.) невелика (около 50 бит/с), поэтому длитель­ ность одного информационно­ го символа составляет прибли­ зительно 20 000 мкс, в то вре­ мя как период дальномерного кода—около 1000 мкс, что практически исключает влия­ ние передаваемого сообщения на качество измерения псев­ додальностей на борту потре­ бителя. Таким образом, выде­

ляемый на борту потребителя информационный сигнал несет сведения о параметрах движения ИСЗ, а дальномер­ ный радионавигационный сигнал—сведения о параметрах движения потребителя относительно ИСЗ. Для составления навигационных уравнений удобно использовать систему декартовых координат (рис. 14.5) с началом в. центре Земли (геоцентрическую прямоугольную систему коор­ динат). Обозначив через хисз, ^Н(.3, zHC3 и хп, уп, zn коор­ динаты ИСЗ и потребителя, квадрат расстояния между ними представим как

точно совмещены, то для нахождения координат доста­ точно было бы измерить три РНП (£>х, D2, D3 — расстояния до трех ИСЗ), составить систему из трех уравнений вида (14.4) и найти из нее три неизвестные: х„, уп, z„. При наличии расхождения шкал времени At=const измеренная квазидальность включает величину сД/, поэтому система уравнений принимает вид

304

Система уравнений (14.5) может быть использована для определения координат как при дальномерных, так

тремя уравнениями (/=1,2,3). При квазидальномерных измерениях шкалы времени потребителя и ИСЗ не со­ вмещены, но Д/ неизменно в процессе навигационного сеанса. Поэтому для решения задачи необходимо провести дополнительное, четвертое, измерение (-£>4 + сД/), дополнив таким образом число уравнений до четырех.

Заметим, что система уравнений (14.5) может быть преобразована к виду

Д^1 = [(Лв«7—Лп)2+(Лс,;-Уп)2+(2вс,;-2п)2]1/2-

-[(^ИСз1-^п)2+(Лсз1-Л)2+(2ясз1-2п)2]1/2, (14.6)

где/ = 2, 3, 4; Д£>;1— измеренная разность дальностей меж­ ду потребителем и двумя ИСЗ (j-м и первым). Система (14.6) состоит из трех уравнений и позволяет найти координаты хв, ув, zB по результатам разностно-дальномер­ ных измерений.

Возвращаясь к решению навигационной задачи при квазидальномерных измерениях, укажем на возможность оценки составляющих вектора скорости потребителя по результатам измерений разности частот принятого сигнала и бортового опорного генератора. Для этого вновь обратимся к системе уравнений (14.5). Переход от измере­ ния дальностей (квазидальностей) к измерению скоростей (квазискоростей) позволяет с помощью дифференцирования по времени уравнений (14.5) вычислить значения составля­ ющих вектора скорости потребителя хв, у'в, z'B. Прежде чем перейти к формальной записи новой системы урав­ нений, целесообразно рассмотреть влияние изменения вели­ чины Д/ в процессе измерений на погрешности определения координат и скорости потребителя. При высокой стабиль­ ности опорных генераторов и достаточно высокой точности установки их номинальных частот изменение Д/ за время навигационного сеанса невелико и при нахождении коорди­ нат потребителя им можно пренебречь. При измерении же скорости зависимость Д/ от времени существенно влияет на погрешность измерения.

Для количественной оценки этого влияния рассмотрим характерный для СРНС пример. Пусть несущая частота сигнала f—109 Гц. Относительное расхождение номиналов частот опорных генераторов потребителя и ИСЗ равно 10 “10, что соответствует абсолютному расхождению 0,1 Гц.

305

В этом случае шкалы времени потребителя и ИСЗ

0,3 м/с. Если время, затрачиваемое на измерение дальности (квазидальности), равно 1 с, то пренебрежение изменением А/ приведет к погрешности 0,3 м, что намного меньше погрешностей, обусловленных другими причинами (измен­ чивость условий распространения радиоволн, инструмен­ тальные ошибки, влияние помех и др.). Если же измеря­ емым параметром является скорость, то при тех же условиях погрешность измерения радиальной скорости составит 0,3 м/с, что существенно превышает допустимую погрешность измерения скорости.

С учетом изложенного после дифференцирования (14.5) получим

+ сA t) (D't + 8D') = (хис31— хп) (4„ {-<) +

где 8D'—поправка радиальной скорости за счет расхожде­ ния частот опорных генераторов потребителя и ИСЗ; /=1,2,3, 4.

Имея в виду, что хл, уп, zn и А/ определены на первом этапе решения навигационной задачи [при решении системы уравнений (14.5)], х'исз;, zBC31транслированы на борт потребителя информационным сообщением, а сум­ ма D'i + dD' измерена на борту потребителя с помощью сравнения частот принятых сигналов с частотой опорного генератора, получаем систему из четырех уравнений с неиз­ вестными х'п, у'п, z'a и 8D'. Решение этой системы позволяет найти значения составляющих вектора скорости потреби­ теля и поправку на сдвиг частоты его опорного генератора относительно частоты генератора ИСЗ.

§ 14.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Основные задачи, решаемые аппаратурой потребителя, к чис­ лу потребителей СРНС второго поколения относятся наземные объекты (подвижные и неподвижные), летатель­

306

к точностным характеристикам, числу измеряемых коор­ динат и составляющих скорости, допустимому времени вхождения в синхронизм, массогабаритным показателям и стоимости аппаратуры потребителя колеблются в широ­ ких пределах. Для наземных и морских объектов до­ статочно ограничиться измерением двух координат и двух составляющих скорости. Для летательных аппаратов число измеряемых координат и составляющих скорости воз­ растает до трех. Поэтому номенклатура модификаций бортовой аппаратуры весьма обширна.

При рассмотрении задач, решаемых аппаратурой по­ требителя, и принципов ее построения будем ориентиро­ ваться на технические характеристики средневысотной СРНС «Навстар», конфигурация подсистемы космических аппаратов которой представлена на рис. 14.4.

С борта каждого ИСЗ системы «Навстар» непрерывно излучаются два взаимно когерентных ФМ-колебания на несущих частотах 1575,42 и 1227,6 МГц. Использование двух несущих частот преследует те же цели, что и в СРНС «Транзит», а именно возможность вычисления и учета поправок на распространение радиоволн в ионосфере. В СРНС «Навстар» применяют два дальномерных сигнала: сигнал высокой точности (ВТ) и сигнал пониженной точности (ПТ). Сигнал ВТ формируется манипуляцией фазы несущей частоты (1575,42 МГц) на ±90°, а сигнал ПТ — манипуляцией той же несущей на 0 и 180°. Ортого­ нальность (квадратура) сигналов ВТ и ПТ обеспечивает возможность их полного разделения на борту потребителя. На частоте 1227,6 МГц излучается только ВТ-сигнал. Поэтому устранение ионосферной рефракционной погреш­ ности возможно только для потребителей, располагающих аппаратурой обработки ВТ-сигнала. Для простоты изло­ жения сосредоточим внимание лишь на сигнале ПТ.

где XGt(t) — дальномерный код в виде двоичной ФМ-после- довательности (длительность символа дальномерного кода Tors1mkc); Dci(t) — код данных (информационное сооб­ щение), принимающий значения +1 при скорости передачи 50 бит/с (длительность символа кода данных равна 20 мс). Код XGt(t) является последовательностью Голда. Каждая

307

такая последовательность образуется путем перемножения двух специально подобранных двоичных Л/-последователь- ностей (см. § 6.4) одной и той же длины N (в СРНС «Навстар» .№=1023). При различных временных сдвигах перемножаемых ^-последовательностей получаются раз­ личные последовательности Голда. Каждому ИСЗ в системе присвоена своя, индивидуальная последовательность Голда.

Основными задачами, решаемыми аппаратурой по­ требителя, являются: выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск

и фазе несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты, выделение и расшифровка содержания навигационного (информационного) сообщения, расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений, решение навигационной задачи (определение координат и составляющих вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и частот), отображение вычисленных данных на информа­ ционном табло.

Упрощенная структурная схема аппаратуры потреби­ теля представлена на рис. 14.6. Она включает антенное, приемное и вычислительное устройства, а также пульт управления и индикации.

Антенное устройство состоит из антенны, ВЧ-блока и блока управления диаграммой направленности (ДН) антенны. Оно обеспечивает прием, предварительную ча­ стотную селекцию и усиление сигналов. ДН антенны в простейшем случае близка к полусфере. Для потреби­ телей, к качественным показателям которых предъявляются особенно высокие требования, применяют антенны с управ­ ляемой ДН. Когда одна из антенн формирует ДН в направлении ИСЗ, расположенного в зените, & другие —в направлениях ИСЗ, находящихся на малых углах возвы­ шения, то используются антенные блоки.

Приемное устройство выполняет функции супергете­ родинного приемника, а также осуществляет первичную обработку сигналов. Гетеродинные частоты формируются из колебаний опорного генератора с помощью синтезатора частот. С УПЧ сигналы поступают на блоки поиска (по времени запаздывания и частоте) и измерения. После завершения поиска в блоке измерения происходит захват сигналов системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), фазы (ФАПЧ) и времени (АПВ). По завершении переходных процессов в следящих системах вырабатывае-

308

Рис. 14.6

мые в блоке измерения значения РНП (квазидальности, квазискорости), а также код информационного сообщения £>с(/) поступают на вычислительное устройство.

Вычислительное устройство содержит блок связей и собственно вычислитель, который иа рис. 14.6 упрощенно представлен в виде блока процессоров и запоминающих устройств (ЗУ). Основой вычислителя являются микро­ процессоры, дополненные модулями памяти. В зависимости от модификации аппаратуры в вычислитель обычно входит от одного до четырех микропроцессоров.

Пульт управления и индикации содержит клавиатуру управления и индикационное табло, на котором по

309

Рис. 14.7

желанию оператора могут отображаться измеряемые ко­ ординаты, составляющие вектора скорости, результаты

лить три основные модификации аппаратуры потребителей. Аппаратура первого класса предназначена для быстрых высокоточных навигационных определений координат мес­ та и скорости, а также поправок времени высокодина­ мичных потребителей в условиях сложной помеховой обстановки. Упрощенная структурная схема аппаратуры

и ФАПЧ. Четыре канала используются для слежения за несущими частотами (ИСЗ, = 1, 2, 3, 4), один канал (АПВ) обеспечивает последовательное слежение за задержками сигналов ВТ и ПТ на частотах 1227,6 и 1575,42 МГц поочередно для всех четырех ИСЗ.

310