Раздел 10. Спутниковые навигационные системы
План раздела:
10.1. Особенности спутниковых радионавигационных систем;
10.2. Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС;
10.3. Спутниковая радионавигационная система GPS;
10.4. Аппаратура потребителей СРНС;
10.5. Точность СРНС;
10.6. Дифференциальный режим;
10.7. Развитие спутниковой навигации.
10.1. Особенности спутниковых радионавигационных систем
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) основаны на использовании координированной по движению и излучению сигналов сети навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). Спутниковые РНС обеспечивают непрерывное и практически мгновенное определение местоположения и скорости потребителя в подавляющем большинстве районов земного шара (глобальные системы) с точностью, на порядок превышающей точность РСДН. Для работы СРНС выделены частоты в диапазоне дециметровых волн, близкие к оптимальным с точки зрения минимального поглощения сигнала при распространении и размеров антенн, используемых для передачи и приема. Функции опорных станций в СРНС выполняют НИСЗ.
Возможны как активные с активным ответом, так и пассивные СРНС. Большинство СРНС представляют собой многопозиционные пассивные системы, имеющие неограниченную пропускную способность.
Особенности определения местоположения потребителя в СРНС. Из возможных методов местоопределения в СРНС наиболее употребителен дальномерный метод. Измерения в дальномерной (квазидальномерной) системе описываются уравнениями (10.1) и (10.2), которые справедливы при точной синхронизации шкал времени на всех НИСЗ.
, (10.1)
, (10.2)
где
,
,
– известные координаты опорных станций;
,
,
– искомые координаты потребителя в
некоторой, например, геоцентрической
системе координат. Координаты потребителя
в системе получаются посредством их
расчета по псевдодальностям до НИСЗ.
Псевдодальности (ПД) рассчитываются по
временным задержкам прохождения сигналов
синхронизированных между собой НИСЗ
по трассам «НИСЗ–потребитель». Задержки
измеряются в результате сопоставления
принятых псевдослучайных кодов и
генерируемых в приемнике копий этих
кодов с учетом априори известных моментов
излучений сигналов НИСЗ. Предварительно
проводится коррекция ПД за счет
компенсации эффекта вращения Земли,
тропосферных и ионосферных погрешностей.
В дальномерной системе погрешность шкалы времени НИСЗ входит в погрешность измерений. Для того, чтобы эта погрешность не сказывалась на точности системы и не превышала, например, 0,3 м, расхождение шкал времени не должно быть больше 1 нс. Если принять, что каждый НИСЗ синхронизируется один раз за 12 ч, то для хранения времени на борту НИСЗ требуются генераторы со стабильностью около 10-14. При использовании атомных генераторов с такой стабильностью СРНС является дополнительно источником точного времени.
Из (10.1) и (10.2) следует
необходимость знания координат НИСЗ
(т.е.
,
,
),
соответствующих моменту проведения
измерений. В наиболее распространенных
СРНС каждый из НИСЗ вместе с навигационным
сигналом передает свои эфемериды
(координаты, рассчитанные для определенного
момента времени). Эфемериды определяют
на наземных станциях слежения за
спутниками и периодически транслируют
на НИСЗ, где они запоминаются для
последующего включения в сигнал спутника.
В аппаратуре потребителя эфемериды
пересчитываются на момент измерения и
по ним находятся значения
,
,
спутника. Так как для определения
местоположения потребителя необходимо
несколько НИСЗ, то со спутника транслируется
также так называемый альманах, содержащий
эфемериды всех НИСЗ системы. Альманах
служит для выбора спутника.
В дальнейшем рассматриваются только пассивные дальномерные СРНС, к числу которых относится отечественная глобальная навигационная система «ГЛОНАСС», американская «Navstar-GPS» и европейская система «Navsat». Структуры этих систем определяются указанными особенностями и имеют много общего.
Состав СРНС. Основные компоненты СРНС – подсистема НИСЗ, наземный командно-измерительный комплекс (КИК) и подсистема потребителей.
Подсистема НИСЗ содержит такое число спутников, при котором в любой точке земного шара в зоне видимости потребителя наблюдаются не менее четырех спутников. Одна из наиболее подходящих конфигураций созвездия НИСЗ для СРНС содержит от 18 до 24 спутников, размещенных равномерно на нескольких круговых орбитах, смещенных на равные интервалы по долготе. Высота орбит около 20000 км, а время обращения спутника примерно 12 ч. Большая высота орбит кроме расширения зоны видимости НИСЗ способствует уменьшению возмущающего влияния атмосферы на параметры орбиты и повышению точности долгосрочного прогноза эфемерид. При таком созвездии в зоне видимости потребителя всегда находятся не менее шести спутников, что позволяет выбрать те из них, для которых геометрический фактор минимален.
На одних и тех же частотах спутники излучают навигационные сигналы и служебную информацию, содержащую эфемериды спутника, альманах и дополнительные данные (поправка на ионосферную рефракцию, информация о «возрасте» данных, поправка к эталону времени спутника, сведения о работоспособности его аппаратуры и некоторые другие). Массив служебной информации формируется по сигналам КИК, закладываемых в блок памяти НИСЗ.
Контрольно-измерительный комплекс выполняет следующие операции: определение орбит НИСЗ; вычисление расхождения бортовых шкал времени НИСЗ со шкалой системного времени; предсказание эфемерид каждого НИСЗ и уходов бортового времени; формирование массива служебной информации и закладка его в память соотвествующего спутника, а также телеметрический контроль работы систем спутников и диагностика их состояния. Параметры орбит измеряются по навигационным сигналам НИСЗ на рабочих частотах системы. Для выполнения остальных функций служат дополнительные частоты дециметрового диапазона.
Подсистема потребителей состоит из аппаратуры, установленной на космических кораблях, самолетах, вертолетах и других объектах и позволяющей найти местоположение и другие интересующие потребителя навигационные элементы. Рассматриваемая аппаратура выполняет следующие операции: выбор четырех, необходимых для работы квазидальномерной системы НИСЗ из числа наблюдаемых потребителем; расчет ожидаемых значений навигационных данных для выбранных НИСЗ; поиск сигналов выбранных спутников; выделение эфемеридной информации; измерение временной задержки и доплеровских частот сигналов; обработка результатов измерений и данных об эфемеридах для определения координат и скорости потребителя; оценка точности полученного навигационного решения.