РостовскийГосударственный Строительный Университет
КафедраПрикладной Геодезии
Спутниковыесистемы навигации GPS и Глонасс
Выполнил: студ гр. ПГ-579 Веремчук Р.В
Проверил: Яковлев В. А
Ростов-на-Дону
2004
Введение
В декабре1976 г. было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Оразвертывании Единой космической навигационной системы ГЛОНАСС (ГЛОбальнаяНАвигационная Спутниковая Система)». Это постановление по сути лишьузаконило уже начавшиеся работы по созданию новой системы и определило порядокее разработки и испытаний. Технические предложения по системе ГЛОНАСС в составеКА 11Ф654 «Ураган» были разработаны в красноярском НПО прикладноймеханики (НПО ПМ) в начале 1976 г. и рассмотрены межведомственной комиссией вавгусте того же года. Система ГЛОНАСС представляет второе поколениеотечественных спутниковых навигационных систем. Создание этой навигационнойсистемы было предопределено потребностями новых потенциальных потребителей,нуждавшихся в высокоточной привязке своего положения во времени и пространстве.В качестве таких потребителей выступали авиация, морской флот, наземныетранспортные средства, космические аппараты, а также специальные боевыекомплексы (в частности, мобильные МБР средней и большой дальности). Широкоевнимание к спутниковой навигации привлекла успешная эксплуатациянизкоорбитальных навигационных спутниковых систем морскими потребителями. В1976 г. на вооружение Советской Армии была принята навигационно-связная система«Циклон-Б» в составе шести космических аппаратов «Парус»,обращающихся на околополярных орбитах высотой 1000 км. Через три года быласдана в эксплуатацию спутниковая радионавигационная система (СРНС)«Цикада» в составе четырех КА на орбитах того же класса, что и у КА«Парус». И если первая система использовалась исключительно винтересах МО СССР, то вторая предназначалась, главным образом, для навигациигражданских морских судов. Оснащение спутниковой навигационной аппаратуройсудов торгового флота оказалось очень выгодным, поскольку благодаря повышениюточности судовождения удавалось настолько сэкономить время плавания и топливо,что бортовая аппаратура потребителя окупала себя после первого же годаэксплуатации. В ходе испытаний этих и предшествовавшей им системы«Циклон» было установлено, что погрешность местоопределениядвижущегося судна по навигационным сигналам этих спутников составляет 250…300 м. Выяснилось также, что основной вклад в погрешность навигационныхопределений вносят погрешности передаваемых спутникам собственных эфемерид,которые рассчитываются и закладываются на борт КА средствами наземногокомплекса управления (НКУ). С целью повышения точности определения ипрогнозирования параметров орбит навигационных спутников была отработанаспециальная схема проведения измерений параметров орбит средствами НКУ,разработаны более точные методики прогнозирования. Для выявления локальныхособенностей гравитационного поля Земли, оказывающих воздействие на выбранныеорбиты навигационных КА (НКА), на такие же орбиты были запущены специальныегеодезические спутники «Космос-842» и «Космос-911».Комплекс принятых мер позволил уточнить координаты измерительных средств ивычислить параметры согласующей модели гравитационного поля, предназначеннойспециально для определения и прогнозирования параметров движения НКА. Врезультате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственныхэфемерид была повышена практически на порядок, так что их погрешность наинтервале суточного прогноза не превышала 70...80 м. Как следствие, погрешностьопределения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80...100 м.
Однаковыполнить требования всех потенциальных классов новых потребителейнизкоорбитальные системы не могли в силу принципов, заложенных в основу ихпостроения. Так, если для неподвижных потребителей, имеющих двухканальнуюприемную аппаратуру, погрешность определения местоположения удалось снизить до32 м (данные для американской СРНС «Транзит»), то при движениипогрешности сразу же начинают возрастать из-за неточности счисления пути — низкоорбитальные СРНС не позволяли определять скорость движения. Более того, пополучаемым измерениям можно определить только две пространственные координаты.Вторым недостатком низкоорбитальных систем было отсутствие глобальностипокрытия, поскольку, например, на экваторе спутники проходили через зонувидимости потребителя в среднем через 1.5 часа, что допускает проведение толькодискретных навигационных сеансов. Наконец, ввиду использования в сеансе лишьодного НКА продолжительность измерений может доходить до 10...16 мин. Большаядлительность сеансов и значительные интервалы между ними делают неизбежнымприменение специальных мероприятий для счисления пути. При этом ошибкисчисления и ограничивают точность местоопределения. Тем не менее была испытанасамолетная аппаратура применительно к сигналам как системы «Транзит»,так и «Цикада». При этом подтвердилось, что погрешность определенияместоположения слабо зависит от маневров самолета и действительно определяетсяпреимущественно погрешностями знания путевой скорости, не выходя за пределы 1.8км.
СРНС второгопоколения изначально проектировались как системы, которым все перечисленныенедостатки не свойственны. Главным требованием при проектировании былообеспечение потребителю в любой момент времени возможности определения трехпространственных координат, вектора скорости и точного времени, что достигаетсяпутем одновременного приема сигналов от как минимум четырех НКА. В конечномитоге, это привело к реализации важной технической идеи — координациипространственного положения НКА на орбитах и координации по времени излучаемыхспутниками сигналов. Координация движения всех НКА придает системе сетевыесвойства, которых она лишается при отсутствии коррекции положения НКА.
В качествеорбит для новой системы первоначально были выбраны средневысокие (20000 км)полусуточные орбиты, которые обеспечивали оптимальное соотношение междуколичеством КА в системе и величиной зоны радиообзора. Однако впоследствиивысота рабочей орбиты была уменьшена до 19100 км. Это было сделано исходя изтого, что для КА, имеющих период обращения, равный половине суток, проявляетсярезонансный эффект влияния определенных гармоник геопотенциала, приводящий кдостаточно быстрому «разрушению» заданного относительного положенияНКА и конфигурации системы в целом. Очевидно, что в этом случае для поддержаниясистемы пришлось бы чаще проводить коррекции орбиты каждого КА. При выбраннойвысоте орбиты для гарантированной видимости потребителем не менее четырехспутников их количество в системе должно составлять 18, однако оно былоувеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координати скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числавидимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность. Следуетотметить, что в настоящее время это требование потеряло актуальность, посколькусовременная стандартная навигационная аппаратура потребителя (НАП) имеетвозможность принимать сигналы от 8 до 12 НКА в зоне радиовидимостиодновременно, что позволяет не заботиться о выборе оптимальной четверки, апросто обрабатывать все принимаемые измерения.
Одной изглавных проблем создания СРНС, обеспечивающей беззапросные навигационныеопределения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимнойсинхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды(наносекунд, нс), поскольку рассинхронизация излучаемых спутникаминавигационных сигналов всего в 10 нс вызывает дополнительную погрешность вопределении местоположения потребителя до 10...15 м. Для решения задачивысокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовалась установка наспутниках высокостабильных цезиевых стандартов частоты и наземного водородногостандарта (на порядок более стабильного), а также создания наземных средствсличения шкал с погрешностью 3...5 нс.
В 1977-78 гг.в НПО ПМ проводилось эскизное проектирование системы, материалы которого былиодобрены в сентябре 1978 г. межведомственной комиссией под председательствомгенерал-майора И. В. Мещерякова. Тактико-техническое задание (ТТЗ) на системуГЛОНАСС было согласовано с главнокомандующими всех видов Вооруженых Сил иминистерствами: Минобщемашем, Минрадиопромом, Минавиапромом, Миноборонпромом,Минморфлотом, Минрыбхозом, Минсудпромом и Министерством гражданской авиации. Вноябре 1978 г. ТТЗ было утверждено Министром обороны СССР.
Однако к томувремени из-за слишком долгого периода согласования задания были сорваныпервоначальные сроки по развертыванию системы. Поэтому 29 августа 1979 г. поГЛОНАСС вышло новое Постановление ЦК и СМ. В нем были установлены следующиесроки выполнения работ по системе:
— началолетных испытаний и создание системы из 4-6 КА «Ураган» для проверкиосновных принципов и технических характеристик -1981 год;
— созданиесистемы из 10-12 КА «Ураган» (в двух орбитальных рабочих плоскостях)и сдача ее на вооружение в составе и с тактико-техническими характеристиками посогласованию между Минобороны, Минобщемашем и Минрадиопромом — 1984 год;
— дооснащениесистемы до 24 КА — 1987 год.
Основнымиразработчиками системы в Постановлении были определены:
— НПО ПММинобщемаша — по системе в целом;
— ПО «Радиоприбор»(ныне РНИИ КП) Минобщемаша — по наземному комплексу управления, бортовомурадиотехническому комплексу, аппаратуре потребителей;
— ЛНРТИ (нынеРИРВ) Минрадиопрома — по навигационно-временному комплексу.
Однако и этипорядок и сроки пришлось еще раз уточнить в июле 1981 г. В новом ПостановленииЦК и СМ сроком начала развертывания системы был назван 1982 г.
Летныеиспытания системы ГЛОНАСС были начаты 12 октября 1982 г. запуском первого КА11Ф654 «Ураган» N11л и двух габаритно-весовых макетов 11Ф654ГВМ.Затем в последующих шести запусках на орбиту выводились по два штатных КА иодному ГВМ. Это было связано с неготовностью электронной аппаратуры спутников.Лишь с восьмого запуска в рамках развертывания системы ГЛОНАСС (16 сентября1986 г.) на орбиту были выведены сразу три штатных КА. Дважды (10 января и 31мая 1989 г.) вместе с двумя КА «Ураган» на орбиту выводилисьпассивные геодезические КА ПКА «Эталон», используемые для уточненияпараметров гравитационного поля и его влияния на орбиты КА «Ураган».
Для отработкинавигационной аппаратуры были изготовлены базовые комплекты по шесть штуккаждого наименования для ВВС, ВМФ, СВ, МГА, ММФ и РВСН. Всего для летныхиспытаний было выделено 22 космических аппарата (9-10 запусков). Это число КАбыло израсходовано к 16 сентября 1987 г. Однако к этому моменту система не быларазвернута даже для ограниченного использования (12 КА в двух плоскостях). Лишьпосле запуска 4 апреля 1991 г. в составе ГЛОНАСС оказалось одновременно 12работоспособных КА.
24 сентября1993 г. первая очередь системы ГЛОНАСС была принята на вооружение. С этогомомента стали проводиться запуски КА в третью орбитальную плоскость. 14 декабря1995 г. после 27-го запуска «Протона-К» с «Ураганами»развертывание штатной конфигурации системы ГЛОНАСС было завершено. Всего соктября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 КА«Ураган» и восемь его габаритно-весовых макетов (ГВМ). За времяразвертывания системы шесть «Ураганов» оказались на нерасчетныхорбитах из-за отказов разгонного блока 11С861. По оценкам, проведенным в 1997г., на развертывание системы было потрачено почти 2.5 млрд $.
Основныепринципы работы системы ГЛОНАСС
Спутникисистемы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов:навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) инавигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц).Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всемпотребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использованииприемников ГЛОНАСС возможность определения:
· горизонтальныхкоординат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
· вертикальныхкоординат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
· составляющихвектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
· точного времени сточностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точностиможно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигациии/или дополнительные специальные методы измерений.
Сигнал ВТпредназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированноеиспользование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданскимпотребителям находится в стадии рассмотрения.
Дляопределения пространственных координат и точного времени требуется принять иобработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. Приприеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известныерадиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряетскорости их движения.
Одновременнос проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработкасодержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровойинформации. Цифровая информация описывает положение данного спутника впространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалывремени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того,цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) ввиде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры.Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными даннымидля решения навигационной задачи по определению координат и параметровдвижения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительномустройстве приемника, при этом используется известный метод наименьшихквадратов. В результате решения определяются три координаты местоположенияпотребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы временипотребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Радионавигационноеполе
Навигационныерадиосигналы, излучаемые штатными НКА, образуют радионавигационное поле воколоземном пространстве.
В СРНСГЛОНАСС каждый штатный НКА излучает навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250МГц в сторону Земли с помощью передающих антенн, рабочая часть диаграммынаправленности (ДН) которых имеет ширину 2 =38 и“освещает” диск Земли с избытком до высоты h0над поверхностью.
Рабочую частьДН можно представить в виде конусного радиолуча с углом 2 0при вершине. Очевидно, что
sin 0=(h0+r)/(H+r),
где r = 6400км радиус Земли; H = 19100 км высота орбиты НКА.
Подставив 0=19, получим h0= 2000 км.
При полной ОГ(24 штатных НКА) радионавигационное поле на высотах h h0 =2000 км непрерывно в пространстве, т.е. потребитель в любой точке этогопространства “освещается” радиолучами не менее чем от четырех НКА, образующихпо отношению к нему удовлетворительное по геометрическому фактору созвездие дляоперативного автономного определения координат и вектора скорости.
На высотах h h0радионавигационное поле становится дискретным в пространстве.Космические объекты на высотах h0 h H “освещены”радиолучами от необходимого для оперативной навигации созвездия (не менеечетырех НКА, включая НКА ниже местного горизонта) не везде, а только принахождении в определенных областях пространства.
Космическиеобъекты на высотах h H (например, на геостационарной орбите) будут“освещены” на некоторых участках своей орбиты радиолучом от одного или двух НКА(при полной ОГ), и НАП может не оперативно определить орбиту космическогообъекта на основе обработки результатов приема навигационных радиосигналов на“освещенных” участках орбиты.
Ограничимсярассмотрением непрерывного радионавигационного поля (h h0).Основной характеристикой радионавигационного поля для наземного потребителяявляются мощности навигационного радиосигнала от околозенитного ипригоризонтного НКА на выходе “стандартной” приемной антенны (без учетаотражений от поверхности Земли):
P0 =Pп G( ) G0( ) 2/(4R)2,
где Pп мощность излучения передатчика; G( ) коэффициентнаправленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении на приемную антенну; G0( ) коэффициентнаправленности “стандартной” приемной антенны в направлении на передающуюантенну; длина волны несущего колебания радиосигнала; R дальность от приемной антенны до передающей антенны.
В системеГЛОНАСС передающие антенны для навигационных радиосигналов на НКА имеюткруговую правую поляризацию излучения.
Коэффициент направленностиG( ) передающих антенн в рабочем секторе направлений 19 относительно оси антенны составляет, угл.град. 0 15 19 G( ), дБ (1600 МГц) 10 12 8 G( ), дБ (1250 МГц) 9 11 9
В качестве“стандартной” приемной антенны удобно рассматривать изотропную приемную антеннус круговой поляризацией, G0( ) = 1.
Дальность Rот приемной антенны, размещенной на поверхности Земли, до околозенитного (= 90 ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного ( =5) НКА составит R = 24000 км.
Бюджетмощности P0узкополосных навигационных радиосигналов на выходе“стандартной” приемной антенны: 1600 МГц 1250 МГц , угл. град. 90 5 90 5
Pп, дБ Вт G( ), дБ +10 +12 +9 +11
( R)2, дБ 182 184 180 182
G0( ), дБ
P0, дБ 157 1 157 1 162 1 162 1
Отметим, чтомощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземным потребителем спомощью изотропной антенны, одинакова для околозенитного и пригоризонтного НКА.
/>
Структура сигналаГЛОНАСС
грубого дальномерногокода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);
последовательностинавигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 6а);
меандрового колебания,передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 6б).
Сигнал в диапазоне L1(аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА.Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура нераскрывается.
Длянавигационных радиосигналов ЦИ формируется на борту НКА на основе данных,передаваемых от НКУ системы на борт НКА с помощью радиотехнических средств.Передаваемая в навигационных радиосигналах ЦИ структурирована в виде строк,кадров и суперкадров.
Вузкополосном навигационном радиосигнале 1600 МГц строка ЦИ имеет длительность 2с (вместе с МВ) и содержит 85 двоичных символов длительностью по 20 мс,передаваемых в относительном коде. Первый символ каждой строки являетсяначальным (“холостым”) для относительного кода. Последние восемь символов вкаждой строке являются проверочными символами кода Хемминга, позволяющиеисправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа встроке. Кадр содержит 15 строк (30 с), суперкадр 5 кадров (2,5 мин).
В составекаждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ и часть альманаха системы.Полный альманах передается в пределах суперкадра.
ОперативнаяЦИ в кадре относится к НКА, излучающему навигационный радиосигнал, и содержит:
· признакидостоверности ЦИ в кадре;
· время началакадра tk;
· эфемериднуюинформацию координаты и производные координат НКА в прямоугольнойгеоцентрической системе координат на момент времени t0;
· частотно-временныепоправки (ЧВП) на момент времени t0в виде относительной поправки кнесущей частоте навигационного радиосигнала и поправки к БШВ НКА;
· время t0.
Время t0,к которому “привязаны” ЭИ и ЧВП, кратны 30 мин от начала суток.
Альманахсистемы содержит:
· время, к которомуотносится альманах;
· параметры орбиты,номер пары несущих частот и поправку к БШВ для каждого штатного НКА в ОГ (24НКА);
· поправку к ШВсистемы относительно ШВ страны, погрешность поправки не более 1 мкс.
Альманахсистемы необходим в НАП для планирования сеанса навигации (выбор оптимальногосозвездия НКА) и для приема навигационных радиосигналов в системе (прогноздоплеровского сдвига несущей частоты). Оперативная ЦИ необходима в НАП в сеансенавигации, так как ЧВП вносятся в результаты измерений, а ЭИ используется приопределении координат и вектора скорости потребителя.
В системеНАВСТАР ЦИ в узкополосных навигационных радиосигналах структурирована следующимобразом: строка имеет длительность 6 c, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр 25 кадров (12,5 мин).
Узкополосныенавигационные радиосигналы в системе ГЛОНАСС обеспечивают более оперативныйприем (обновление) альманаха за счет более короткой длительности суперкадров(2,5 мин) по сравнению с системой НАВСТАР (12,5 мин)
Навигационныеизмерения в многоканальной НАП
Рассмотриммногоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначеннуюдля глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских,воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемнаяантенна.
В каждомканале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналомпринимается ЦИ и ежесекундно измеряются два навигационных параметра псевдодальностьи радиальная псевдоскорость.
Псевдодальностьот объекта до НКА измеряется в НАП посредством измерения сдвига принимаемойПСП1 относительно опорного сигнала в НАП. Радиальная псевдоскорость объектаотносительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частотыпринимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигналав НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.
Результатыизмерений псевдодальностей Sk(t) не менее, чем для четырех выбранныхНКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можновыразить следующим образом :
Sk(t)=Rk(t)+c(t)+c k(t)+ Sk(t),
где Rk(t) дальность от объекта до НКА; с скорость света; (t) сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; k(t) погрешность ЧВП; Sk(t) погрешностьизмерений в НАП.
Вдвухдиапазонной НАП навигационные измерения псевдодальностей на двух несущихчастотах в 1600 МГц и н 1250МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом.Обозначим S0(t) измеренная псевдодальность без ионосферныхпогрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов
Sв(t)=S0(t)+А/ />; Sн(t)= S0(t)+А/ />,
где А/2 ионосферная погрешность измерения псевдодальности, тоалгоритм получения объединенного результата S0(t), в которомисключены ионосферные погрешности будет следующим:
S0(t)=/>Sв(t)-/>Sн(t);m= н / в=7/9.
Погрешностьдвухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:
S0= />Sв — /> Sн = 2,53Sв — 1,53 Sн.
В сеансенавигации результаты измерений в НАП псевдодальностей относительно не менеечетырех НКА, выбранных для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных НКА позволяютопределить три координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала)относительно ШВ системы.
Задачанастоящего раздела оценить погрешность измерения псевдодальностей вмногоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов.Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальнойНАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера(в однодиапазонной НАП).
При оценкепогрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входеприемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейногоучастка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.
Шумовуюпогрешность (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можнооценить следующим образом:
(S)= />/>,
где c скорость света; F1 тактовая частота ПСП1; Pc /gш энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала навходе приемника; k ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k 1,5); T0 интервал осреднения (накопления)измерений.
Энергетическиепотенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП сшироконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]: