flesh / Книга / 17_g

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

онных спутников (НС) (сеть навигационных спутников – космический сегмент); контроля и управления (ПКУ) (наземный командноизмерительный комплекс (КИК)) – сегмент управления; аппаратура потребителей (АП) СРНС (приемоиндикаторы (ПИ)) – сегмент потребителей.

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т.е. пространственно-времен- ных координат (ПВК). Этуоперацию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычислениеискомых навигационных параметров непосредственнов аппаратурепотребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребителей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам несколькихнавигационныхискусственныхспутников Земли сизвестными координатами. Высокая точность определения местоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимное расположениеспутников и параметры их навигационных сигналов. Структура космическогосегмента обеспечиваетдля потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников (рис. 17.37).

Рис. 17.37. Структуры космических сегментов: а – ГЛОНАСС; б – GPS

288

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

Подсистема космических аппаратов

Подсистема космических аппаратов СРНС состоит из определенного числа навигационных спутников. Основные функции НС – формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС. С этой целью в состав аппаратуры НС включают: радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ)), солнечные батареи и т.д. Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают практически синхронное излучение навигационных сигналов всеми спутниками, что необходимо для реализации режима пассивных дальномерных измерений в аппаратуре потребителей. Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используютдля определенияв аппаратурепотребителей СРНС навигационныхпараметров (дальности, еепроизводных, ПВК и т.д.), вторыедля передачи потребителям координатспутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготовлена в наземном командно-измерительном комплексе и передана по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой. Соответствующие характеристики сигналов НС и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью. ВсовременныхСРНС типа ГЛОНАСС и GPS большоевниманиеуделяется взаимной синхронизации НС поорбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило применение к ним термина «сетевые СРНС».

Наземныйкомандно-измерительныйкомплекс

Подсистема контроля и управления представляет собой комплекс наземных средств (командно-измерительный комплекс – КИК),

289

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

обеспечивающих наблюдение и контроль за траекториями движения НС, качеством функционированияих аппаратуры; управлениережимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов составом, объемом и дискретностью, передаваемой со спутников навигационной информации,стабильностьюбортовойшкалывремени идр. Обычно КИК состоит из координационно-вычислительного центра (КВЦ), станции траекторных измерений и управления (СТИ), системного (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ). Периодически при полете НС в зоневидимости СТИ происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные закладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, который используется, в частности, в процессе юстировки бортовыхэталонов времени и частотынавигационныхспутников СРНС.

Навигационная аппаратура потребителей СРНС

ПриемоиндикаторыСРНС,состоящиеизрадиоприемника ивычислителя, предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения необходимой потребителяминформации (пространственно-временныхкоординат, направленияи скорости,пространственнойориентацииит.п.).Пространственное положениепотребителя определяется в приемо-индикаторев два этапа; сначала определяются текущие координаты спутников и первичныенавигационныепараметры(дальность, еепроизводныеи др.) относительносоответствующих НС, а затемрассчитываются вторич- ные-географическая широта, долгота, высота потребителя и т.д. Вектор скорости потребителя вычисляют при обработке результатов измерений доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известноговектора скорости спутника. Длянахожденияпространственной

290

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

ориентации потребителя в приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с использованием специальных антенных решеток.

Методы решения навигационных задач

Местоположениеобъектаопределяетсякоординатамипересечения трехповерхностей положения, являющихся геометрическимместом точек с одинаковым значением навигационного параметра. Для решения навигационной задачи, т.е. для нахождения вектора потребителя П, используют навигационные функции, определяющие функциональную связь между навигационными параметрами и компонентами вектора потребителя. Навигационные функции определяются с помощью разновидностей дальномерных и разностно-дальномерных методов.

В наиболее простом дальномерном методе навигационным параметром является дальность Di между i-м НС и потребителем, а поверхностью положения – сфера с радиусом Di и центром в центре масс i-го спутника:

здесь xi yi zi – известные на момент измерения координаты i-го спутника (с учетом егоперемещения на время распространения сигнала); х, у, z – координаты потребителя.

Местоположение объекта определяется координатами пересечения трех сфер, т.е. необходимо измерить дальности до трех НС (i = 1...3), а навигационная функция представляет собой систему из трех уравнений. В данном методе предполагается, что все величины взяты в один и тот же момент времени. Однако координаты НС привязаны к бортовой шкале времени, а потребитель измеряет задержку радиосигнала в своей шкале времени. При наличии расхождения t шкал времени возникает смещение D = ct измеренной дальности и, как следствие, проблемы с точностью определения координат потребителя. Поэтому в настоящее время более широко применяют так называемый псевдодальномерный метод.

291

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Под псевдодальностью понимается измеренная дальность Dизм i до i-го НС, которая отличается от истинной дальности на неизвестную, нопостоянную на время определения навигационных парамет- роввеличинуD .Такимобразом,дляпсевдодальностидоi-гоНСмож- нозаписать

В псевдодальномерных методах поверхностью положения попрежнемуявляется сфера, норадиусэтой сферы изменен на неизвестную величину D . Измерениепсевдодальностей дотрех НС приводит ксистемеуравненийсчетырьмя неизвестными(х,у,z, D ).Дляустранения возникшей неопределенности необходимо провести дополнительныеизмерения, т.е. измеритьпсевдодальность дочетвертогоспутника. Полученная таким образом система четырех уравнений имеет точное решение, и, следовательно, координаты потребителя определяются как точка пересечения четырех поверхностей положения. Необходимость нахождения в зоне видимости четырех НС предъявляет жесткие требования к структуре сети НС, которые выполняются только в среднеорбитальных СРНС. Параметры орбитальной группировки НС низкоорбитальных СРНС (высота орбит, число спутников, их расстановка)обычнообеспечиваютвидимостьв зонепотребителя1...2НС, поэтому определение координат потребителя в этих СРНС может осуществляться не в реальном времени, а лишь после проведения последовательных (обычно доплеровских) измерений нескольких линий положения по сигналам одного спутника.

Разностно-дальномерный метод основан на измерении разно-

сти дальностей от потребителя до i-го НС. По своей сути этот метод аналогичен псевдодальномерному методу, его применяют при наличии в дальномерныхизмеренияхнеизвестныхсдвигов D . Разностнодальномерный метод использует три из четырех НС, так как при постоянстве D за время навигационных определений разности псевдодальностей равныразностям истинных дальностей, для определения которых требуется три независимых уравнения. Поверхности положения определяются из условия D = const и представляют собой по-

292

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

верхности двуполостного гиперболоида вращения, фокусами которых являются координаты опорных точек i и j (центров масс i-го и j- го НС). Расстояние между опорными точками называют базой измерительной системы. Если расстояние от опорных точек до потребителявеликопосравнениюсразмерамибазы,тогиперболоидвращения в окрестности точки потребителя практически совпадает со своей асимптотой –конусом, вершина которогосовпадаетссерединой базы. Точность определения координат потребителя при использовании этого метода такая же, как и у псевдодальномерного.

Радиально-скоростной (доплеровский) метод основан на изме-

рении трех радиальных скоростей перемещения потребителя относительнотрехНС. Физической основой метода являетсязависимость радиальной скорости точки относительноНС от координат и относительно скорости НС. Дифференцируя уравнение поверхности положения дальномерного способа по времени, получаем

D' (xi x)(xi x) (yi y)(yi y) (zi z)(zi z) /Di . (17.56)

Здесь компоненты xi x , yi y , zi z характеризуют век-

тор относительной скорости; Di – относительные координаты. Таким образом, для определения компонент вектора скорости

потребителя необходимо знать векторы координат и скорости трех НС, а также координаты потребителя. Последние можно получить, измерив радиальные скорости D в течение некоторого времени t,

a затем вычислив интеграл. Недостатком данного метода является невозможность измерения координат в реальном масштабе времени. Крометого, в средневысотных СРНС медленныеизменениярадиальной скорости приводят к малым значениям разностей в алгоритмах навигационных вычислений и как следствие к снижению точности вычислений. Дополнительным недостатком метода является необходимостьналичиявысокостабильногоэталона частоты, таккаклюбая нестабильность частоты приводит к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты, а следовательно, к дополнительным ошибкам измерения составляющих скорости потребителя.

293

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Псевдодоплеровский метод аналогичен псевдодальномерному при определении координатпотребителяи позволяетопределитьвектор скорости потребителя в присутствии неизвестного смещения частотысигнала,например, из-занестабильности эталона частоты.При наличиитакогосмещениявыражениедлярадиальныхскоростейможно представить в виде двух слагаемых

решить систему четырех уравнений. Для ее решения потребуется знание дальностей Di и координат {х, у, z} потребителя. Эта информация может быть получена, например, из псевдодальномерных измерений.

Сущность данного метода заключается в определении трех раз-

ностей Dij Di Dj двух радиальных скоростей НС. При этом раз-

ности можновычислятьотносительноодногоили различныхНС. По существупри вычислении разностей могут использоваться и псевдо-

радиальныескорости Dизм i , так как при такомвычитании компенси-

руется неизвестное смещение Dl (в предположении, что смещение

одинаковое для различных спутников). Навигационные параметры определяются из выражения:

Dj

Поверхности положения представляют собой поверхности тела вращения, фокусами которых являются координаты центров масс

294

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

i-гo и j-го НС. Как и для «дальномерных» методов, точность определения составляющих вектора скорости в данном методе совпадает с точностью определения тех же составляющих в псевдорадиальном методе. Достоинством метода является его нечувствительность к нестабильности эталонов частоты.

Комбинированные методы используют, кроме СРНС, дополнительные измерители координат, имеющиеся у потребителя. Так, в дальномерном методе при наличии на борту измерителя высоты H можновместо измерений трех дальностей до НС ограничиться измерением двух дальностей. В этом случае навигационная функция будет включать два уравнения сферы, а третье необходимое уравнение

дает измеритель высоты R3 H 2 x2 y2 z2 . Другой аспект ис-

пользования комбинированных методов заключается в замене совокупности одновременныхизмерений накомбинациюодновременных и последовательных измерений или на совокупность только последовательных измерений, например, определение координат потребителя разностно-скоростным методом.

Основныепринципы работы системы ГЛОНАСС

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов:навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

•горизонтальных координат с точностью 50 – 70 м (вероят-

ность 99,7%);

•вертикальныхкоординатсточностью70м(вероятность99,7%);

•составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероят-

ность 99,7%);

•точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

295

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Эти точности можно значительноулучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальныеметодыизмерений.СигналВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от четырех спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и их движения.

Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационномрадиосигналеметоквремени и цифровой информации. Цифровая информацияописываетположениеданногоспутникавпространствеи времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Крометого, цифроваяинформацияописываетположениедругихспутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятаяцифроваяинформацияявляютсяисходнымиданнымидлярешения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационнаязадача решаетсяавтоматически в вычислительном устройствеприемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

СпутникГЛОНАСС

Спутник ГЛОНАСС конструктивно состоит из цилиндрического термоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств, приборов системы ориентации, панелей солнечных батарей с

296

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами. На спутникетакже установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для калибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности до спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направлениена центр Земли. Площадь уголковых отражателей – 0,25м2.

Бортовая аппаратура включает: навигационный комплекс; комплексуправления;системуориентации и стабилизации;системукоррекции; систему терморегулирования; систему электроснабжения.

Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС, в состав комплекса входят: синхронизатор, формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчикнавигационныхрадиосигналов.

Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационныхрадиосигналов обеспечиваетформированиепсевдослучайных фазоманипулированныхнавигационныхрадиосигналов,содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

Комплексуправленияосуществляетуправлениесистемами спутника и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система, блок управлениябортовой аппаратурой и система телеметрическогоконтроля. Ко- мандно-измерительная система обеспечивает измерениедальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой поразовымкомандамивременнымпрограммам,записьнавигационной информации в бортовой навигационный комплекси передачу телеметрии.

Блок управления осуществляет распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.

297