ГЛОНАСС

8.1. Состав спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, её характеристики, принцип действия

Аналогом американской СНС NAVSTAR в нашей стране является СНС ГЛОНАСС (Глобальная на- вигационная спутниковая систе- ма). Первый спутник этой систе- мы был запущен в 1982 г., а в 1993 г. система официально была принята в эксплуатацию. К 1996 г. космическая группировка развернута полностью и составляет 24 спутника. Такое количество спутников обеспечивает непрерывное высокоточное определение широ- ты, долготы и высоты места, а также путевой скорости в любой точке Земли. Как и любая спутниковая система, СНС ГЛОНАСС состоит из трёх подсистем: а) космическая; б) наземная и в) мобильная. Космическая подсистема включает в себя 24 спутника, находящихся на 3 разнесенных друг от друга на 120о средневысоких орбитах с высотой Н ≈ 19100 км, наклонением i = 64,8о и периодом обращения Т = 11 ч 45 м 44 с. На каж- дой орбите находится 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45о. Положение спутника на орбите определяется с точностью ± 15 м, а по высоте ± 4 м. Время эксплуатации спутника составляет 5 лет (рис. 8.1). В состав бортовой аппаратуры входят: – навигационный комплекс, который обеспечивает функционирование спутника как элемента СНС ГЛОНАСС, синхронизацию шкал времени, формирование навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение; – комплекс управления, который обеспечивает измерение рас- стояния в без запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс, распределение питания на системы и приборы спутника; – система ориентации и стабилизации, которая обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце, ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты; – система коррекции, которая обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты; – система терморегулирования и электроснабжения, которая обеспечивает необходимый тепловой режим спутника, а также включает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей составляет 1600 Вт, площадь 17,5 м2. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей разрядной емкостью 70 ампер-часов. Для обеспечения надёжности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем. Таким образом, на спутник системы ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций: – излучение высокостабильных радионавигационных сигналов; – приём, хранение и передача цифровой навигационной инфор- мации;

– формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени; – ретрансляция или излучение сигналов для проведения измерений параметров орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени; – приём и обработка разовых команд; – приём, запоминание и выполнение временных программ управ- ления режимами функционирования спутника на орбите; – формирование телеметрической информации о состоянии бор- товой аппаратуры и передача её для обработки и анализа наземному комплексу управления; – приём и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени; – формирование и передача «признака неисправности» при выхо- де важных контролируемых параметров за пределы нормы. Управление спутниками системы ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. Наземная подсистема включает в себя Центр управления систе- мой, расположенный в г. Краснознаменске (Московская область), не- сколько командных станций слежения, рассредоточенных по террито- рии России (Санкт-Петербург, Щелково под Тверью, Енисейск, Ком- сомольск-на-Амуре и т. д.), контрольную станцию, квантово- оптические станции, систему контроля фаз и центральный синхрони- затор (рис. 8.2). Центр управления системой осуществляет сбор, нако- пление и обработку траекторной и телеметрической информации обо

114

всех спутниках системы, поступаемой со станций слежения, форми- рование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигаци- онной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом. Мобильная подсистема СНС ГЛОНАСС включает в себя аппа- ратуру потребителей, в частности судовые шестиканальные ПИ отече- ственного производства, которые принимают сигналы спутников, вы- полняют их расшифровку и обработку в оптимальном варианте со- звездия и рассчитывают координаты, индицируемые на специальных дисплеях. СНС ГЛОНАСС работает следующим образом. Спутники системы непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигаци- онный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц) (в данном случае, однако, в отличие от СНС NAVSTAR, ка- ждый спутник работает на своей частоте). Информация, предостав- ляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает возможность опреде- ления: – горизонтальных координат (широта и долгота) – с точностью 50–70 м (с вероятностью 99,7 %); – вертикальных координат (высота над уровнем общеземного эл- липсоида) – с точностью 70 м (с вероятностью 99,7 %); – составляющих вектора скорости – с точностью 15 см/с (с веро- ятностью 99,7 %); – точного времени – с точностью 0,7 мкс (с вероятностью 99,7 %). Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специ- альные методы измерений. Координаты определяются в системе ПЗ–90.02 (вторая версия отечественной геодезической системы «Параметры Земли 1990 г.»), которая весьма близка к WGS-84. Сигнал ВТ предназначен в основном для отечественных военных потребителей, и его несанкционированное использование не рекомен- дуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребите- лям находится в стадии рассмотрения. Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4 спутников. При приёме навигационных радиосигналов судовой ПИ, используя известные радиотехнические методы, измеряет навига- ционные параметры (псевдорасстояния до видимых спутников) и ско- рости распространения радиосигналов.

115

Уравнение навигационного параметра имеет следующий вид:

ρ = ρи + сτо + δсум , (8.1)

где ρ – псевдорасстояние; ρи – истинное расстояние между антенной судового приёмоиндикатора и спутником; с – скорость распростране- ния радиоволн; τо – рассогласование шкал времени судового ПИ и СНС; δсум – суммарная погрешность, учитывающая погрешности эфемеридной информации, частотно-временную погрешность и каче- ство работы аппаратуры судового ПИ. Одновременно с проведением навигационных измерений в ПИ выполняется автоматическая обработка меток времени и цифровой информации, содержащихся в каждом навигационном сигнале. Циф- ровая информация описывает положение спутника в пространстве в геоцентрической прямоугольной системе, а также времени относи- тельно единой для системы шкалы времени. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альма- нах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты навигационных измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения задачи определения координат и скорости движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве ПИ, при этом используется метод наименьших квадратов.

8.2. Интеграция среднеорбитальных СНС. Совместное использование NAVSTAR и ГЛОНАСС

Существенного повышения как точности, так и надёжности (целостности, непрерывности и доступности) навигационных определения можно добиться путем совместного использования сигналов среднеорбитальных СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС. Основные предпо- сылки, обусловливающие возможность и целесообразность такого объединения, заключаются в следующем: – похожие принципы баллистического построения обеих сис- тем, т. е. достаточно близкие значения параметров орбит их спутников (табл. 8.1); – общность используемого частотного диапазона, а также общ- ность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую ма- нипуляцию и псевдослучайные последовательности; – одинаковые принципы синхронизации и измерения навигаци- онных параметров;

116

– схожие по содержанию и хронологии планы создания и совер- шенствования систем; – готовность правительств США и России предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества. Таблица 8.1 Сравнительные характеристики СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС

Расчёты показывают, что при совместном использовании СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС только за счет увеличения в зоне радиовиди- мости количества спутников до 16–18 (что ведёт к уменьшению GDOP, HDOP и VDOP), точность определения координат и времени может быть увеличена в 1,4–1,6 раз. При этом доступность системы достигает 100 %. Дополнительные преимущества совместного ис- пользования этих систем связаны также с возможностью работы в местах, где ранее сигналы спутников не принимались, и в неблаго- приятные для приёма сигналов промежутки времени. Кроме того, ис- чезают проблемы срыва инициализации системы. К настоящему времени, помимо теоретических и проектных ра- бот по объединению СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС, достигнуты и оп- ределённые практические результаты. В частности, разработаны и созданы специальные ПИ, принимающие и обрабатывающие сигналы обеих систем. В качестве примеров можно указать ПИ АСН-21М,

117

АСН-22, А-744 (РИРВ, Россия), «ИНТЕР-А», А-737 (МКБ «Компас», Россия), GG-24 (Маgellan-Ashtech, США), СNSS-300 (3S Navigation, США), Мillenium GLONASS (NovAtel) и др. Осуществлена также разработка ряда образцов контрольно– корректирующих станций дифференциальных подсистем и версии стандартов для передачи корректирующих сообщений применительно к NAVSTAR и ГЛОНАСС. Исследование вопросов совместного использования СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС продолжается. Следует отметить, что интег- рирование и совместное использование СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС обеспечивают также резервирование навигационного обеспечения на случай непредвиденных форс–мажорных обстоятельств, связанных, например, с террористической деятельностью, земными катаклизмами и др.