ССРНС



ССРНС (Глонасс, Navstar)

На данный момент существуют две глобальные спутниковые радионавигационные системы второго поколения. Это Российская (ранее Советская) система «Глонасс» (глобальная навигационная спутниковая система) и Американская, называемая «Навстар» (Navstar — Navigational Satellite Time and Ranging — навигационный спутник измерения времени и координат) или по её фактическому назначению GPS (Global Positioning System — глобальная система местоопределения). Основные свойства обеих СРНС определяются выбором системы НИСЗ (баллистическим построением), высокой стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а также способами устранения и компенсации погрешностей.

Параметры систем и их отдельных элементов, а также математическое обеспечение выбираются так, чтобы ошибка навигационных определений по координатам была не более 10 м, а по скорости до 0,05 м/c.

В состав обеих спутниковых РНС входят:

• сеть НИСЗ (навигационные ИСЗ);
• наземные средства управления, слежения и контроля (КИК — командно измерительный комплекс);
• навигационная аппаратура потребителей (потребители);
• средства развёртывания и восполнения системы (космодром).

Сеть навигационных искусственных спутников земли (НИСЗ) развёртывается из 18-24 спутников, координированно обращающихся по круговым орбитам высотой около 20 000 км (период обращения 12 ч), лежащим в 3-6 пересекающихся плоскостях с наклонением 55..65⁰ так, что на каждой из орбит равномерно размещается от 3-х до 8-ми спутников. Система спутников представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объём служебной информации. В навигационном сигнале каждого спутника передаётся два типа информации: аналоговая — измеряемые псевдодальность, псевдоскорость, а так же метки времени; и цифровая (служебная) — кадры эфемеридной информации и кадры альманаха.

В командно измерительный комплекс входят:

• станции контроля, которые ведут траекторные и временные измерения для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой системы, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем;
• центр управления системой, собирающий информацию от станций контроля, формирующий массив служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки) и программу управления бортовыми средствами;
• станции управления, закладывающие в бортовые запоминающие устройства служебную информацию и программу управления, а также ведущие оперативное управление работой бортовых средств каждого из спутников.

Аппаратура потребителей предназначена для определения пространственных координат и параметров движения объекта по результатам измерений. По сложности технических решений и объёму аппаратных затрат АП разделяют на: одноканальную (в том числе мультиплексную, когда система очень быстро переключается между сигналами орбитальной группировки), которая в каждый текущий момент времени ведёт приём и обработку радиосигнала только одного НИСЗ, и многоканальную, позволяющую одновременно принимать и обрабатывать сигналы нескольких НИСЗ.

В мультиплексной аппаратуре резко снижаются аппаратурные погрешности, характерные для многоканальной аппаратуры, что позволяет производить измерения направлений. Так, если установить на потребителе две или более антенны на некоторой базовой линии, то можно измерять азимут, измеряя разность фаз несущей частоты сигналов, принимаемых антеннами.

Средства развёртывания и восполнения системы (космодром) обеспечивают вывод на орбиты спутников при первоначальном развёртывании сети НИСЗ и при её восполнении.

Решение навигационных задач основывается на использовании функциональной связи между навигационными параметрами и определяемыми координатами. Навигационные параметры — это те величины, которые измеряются непосредственно во время сеанса связи. Если задать геоцентрическую экваториальную прямоугольную систему координат (начало отсчёта в центре Земли) и обозначить координаты НИСЗ и потребителя соответственно x_c, y_c, z_c и x, y, z, то расстояние между ними выразится как

r = ( x c – x ) 2 + ( y c – y ) 2 + ( z c – z ) 2

Радиальная скорость может быть найдена путём диффиренцирования этого уравнения по времени:

Поскольку в ССРНС применяется дальномерный метод с хранением начала отсчёта, то измеряемая псевдодальность будет отличаться от истинной дальности на величину, зависящую от смещения относительно системного времени как временной шкалы НИСЗ dtс, так и временной шкалы потребителя dtп. Кроме того, при распространении радиоволн в атмосфере возникает задержка сигнала dt_A по сравнению с его временем распространения в свободном пространстве. Поэтому, на самом деле, в навигационном сеансе измеряется не дальность r, а псевдодальность rпс., выражение для которой будет выглядеть так:

r ПС i = ( x c i – x ) 2 + ( y c i – y ) 2 + ( z c i – z ) 2 + c ( dt A i + dt c i – dt П )

где i = 1 ... 4. Из этого выражения видно, что определяемыми параметрами являются координаты x, y, z и поправка dtп к временной шкале потребителя. Значения остальных пяти величин должны быть вычислены потребителем на основании служебной информации, передаваемой каждым спутником.

При Доплеровских измерениях радиальной скорости поступают подобным образом: т.е. измеряется только псевдоскорость. Следовательно, определяемыми параметрами являются 3 составляющих вектора скорости (направленных по координатным осям) и поправка по частоте к генератору частоты.

Потребитель принимает излучаемые каждым НИСЗ радиосигналы и производит измерения радионавигационных параметров, т.е. определяет по два навигационных параметра от каждого спутника: псевдоскорость и псевдодальность. Так, как для точного определения координат и скоростей потребителя необходимо, чтобы в решаемой системе было не менее четырёх уравнений для псевдодальности, и столько же для псевдоскорости, следовательно, число спутников, находящихся в орбитальной группировке должно быть тоже не менее четырёх. При меньшем числе видимых или функционирующих НИСЗ определение координат и скорости потребителя можно с помощью ЭВМ, пользуясь статистическими методами обработки измерений, такими, как метод наименьших квадратов, или методами динамической фильтрации (Фильтр Калмана). Применение статистических методов обработки возможно из-за достаточно быстрого изменения навигационных параметров, так как одной из основной особенностью среднеорбитальных ССРНС является высокая скорость относительного перемещения НИСЗ и потребителя.