Доклад: Спутниковая система ГЛОНАСС

долгота, высота потребителя и т. д.

Сравнение текущих координат потребителей с координатами выбранных

навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяет сформиро­вать

в ПИ сигналы для управления различными транспортными средствами. Вектор

скорости потребителя вычисляют путем обработки результатов измере­ний

доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скорости

спутника. Для нахождения пространственной ориентации потребите­ля в

приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с ис­пользованием

специальных антенных решеток.

2.4. Взаимодействие подсистем СРНС в процессе определения текущих координат

спутников

Способ функционирования современных СРНС позволяет отнести их к радиомаячным

навигационным средствам. Однако необходимость постоянного определения текущих

координат НС и выбора из них видимых потребителю НС и рабочего созвездия

исправных НС существенно отличает СРНС от тра­диционных радиомаячных РНС

(РСБН, РСДН), в которых координаты радио­маяков известны и постоянны.

Непрерывное нахождение текущих координат НС, движущихся с большими

изменяющимися но времени скоростями, пред­ставляет собой сложную задачу.

Координаты НС могут быть определены в общем случае на КИК или не­посредственно

на спутнике (самоопределяющиеся НС). В настоящее вре­мя отдается предпочтение

первому подходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на

практике методы и средства решения этой про­блемы в наземных условиях. В

современных СРНС управление НС осуществ­ляется с ограниченных территорий и,

следовательно, не обеспечивается по­стоянное взаимодействие КИК и сети НС. В

связи с этим выделяют два этапа решения этой задачи. На первом этапе в

аппаратуре КИК измеряют ко­ординаты спутников в процессе их пролета в зоне

видимости и вычисляют па­раметры их орбит. Эти данные прогнозируются на

фиксированные (опорные) моменты времени, например на середину каждого

получасового интервала предстоящих суток, до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные координаты НС и их производные (эфемериды) передаются

на НС, а затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего

указанным моментам времени, потребителям. На втором этапе в аппаратуре

потребителя по этим данным осуществляется последующее прогнозирование координат

НС, т. е., вычисляются текущие координаты НС в интервалах между опорными

точ­ками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования

коор­динат проводят при известных закономерностях движения НС.

В отличие от самоопределяющихся НС, рассмотренный вариант функционирования

СРНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры

КИК с целью достижения заданной надежности.

Заметим, что в навигационное сообщение НС КИК, кроме того, закла­дывает

альманах — набор справочных сведений о всей сети НС, в том числе

загрубленные эфемериды НС, которые обычно используются для опреде­ления

видимых потребителю НС и выбора рабочего созвездия, обеспечиваю­щего высокое

качество НВО. Темп обновления точной эфемеридной инфор­мации (ЭИ) значительно

выше, поэтому ее часто называют оперативной ЭИ в отличие от

долговременной ЭИ в альманахе.

3. Основные навигационные характеристики НС

К основным навигационным характеристикам НС относят зону обзора, зону

видимости, продолжительность наблюдения, орбитальную конфигурацию сети НС и

др. На чертеже (рис. 2) поясняются основные определения.

Зона обзора НС представляет собой участок земной поверхности, на ко­тором

можно осуществлять наблюдение за НС, прием его сигналов. Центром зоны обзора

является подспутниковая точка О3, называемая географическим

местом спутника (ГМС).

Координаты ГМС (географические широта и долгота) могут быть рассчи­таны

по формулам:

где — орбитальные элементы НС; — гринвичское звездное время;

— угловая скорость

прецессии узла орбиты. Зона обзора ограничена линией истинного горизонта в

точке НС, поэтому ее размер зависит от высоты НС (

). Размер зоны обзора ха­рактеризуется углом

или соответствующей ему дугой АО3, кото­рая называется

радиусом зоны обзора

[км]. Из рис. 2 видно, что

(1)

Бортовые приемоиндикаторы СРНС обеспечивают заданную точность измерений в

зоне обзора, ограниченной радиогоризонтом, который поднят для пользователя на

угол 5 ... 10° (угол маски). В этом случае зона обзора оп­ределяется углом

, где

(2)

Площадь зоны обзора

. Тогда относительная пло­щадь обзора

, где -

площадь земного шара.

При увеличении высоты НС до

40 000 км радиус зоны обзора из­меняется незначительно (

9 400 км), а затраты на формирование такой орбиты возрастают существенно.

Рассмотренная выше зона обзора соответствует фиксированному моменту времени

(мгновенная зона обзора).

У нестационарных НС мгновенная зона обзора, перемещаясь по поверхности Земли,

образует зону обзора в виде полосы шириной

. Ее осью является совокупность ГМС - трасса НС.

Установим условия видимости НС для наблюдателя, расположенного в точке

, лежащей на трассе НС (рис. 3). Область небосвода СС’, в которой

НС наблюдается из точки

; от момента восхода

над горизонтом до момента захода

называют зоной видимости (геометрической зоной видимости), для

ко­торой справедливы соотношения (1), (2). Из рис. 3 видно, что максимальный

угловой радиус зоны видимости (дуга А'С')

С учетом радиогоризонта угловой радиус зоны обзора уменьшается

. Здесь угол a называют минимально допустимой высотой.

Продолжительность сеанса связи с НС

(в пределах видимости НС) определяется разностью (

) и зависит от угла b (т. е. от высоты полета НС или периода его обращения

Т).

Для круговой орбиты , где — угловая ско­рость обращения спутника.

Для СРНС ГЛОНАСС км, % при км, ; » 300 мин.

Очевидно, что если потребитель находится в стороне от трассы НС, то

продолжительность наблюдения спутника уменьшается.

Навигационные алгоритмы, реализованные в бортовых приемоиндикаторах

современных СРНС, обычно ориентированы на прием сигналов от не­скольких НС

одновременно. Наблюдение в любой точке рабочей зоны СРНС одновременно

нескольких НС обеспечивается путем оптимального выбора стабильной

пространственно-временной структуры (конфигурации) сети НС — числа,

ориентации и формы орбит; числа НС на каждой из них; взаимного расположения

орбит и спутников на них. Обычно число НС в сети превышает минимально

необходимое за счет резервных НС.

4. Решение навигационной задачи

Основным содержанием навигационной задачи (НЗ) в СРНС является определение

пространственно-временных координат потребителя, а также со­ставляющих его

скорости, поэтому в результате решения навигаци­онной задачи должен быть

определен расширенный вектор состояния потре­бителя П, который в инерциальной

системе координат можно представить в виде

. Элементами данного вектора служат пространствен­ные координаты (х, у, z

) потребителя, временная поправка t' шкалы времени потребителя

относительно системной ШВ, а также составляющие вектора ско­рости

.

Элементы вектора потребителя недоступны непосредственному измере­нию с помощью

радиосредств. У принятого радиосигнала могут измеряться те или другие его

параметры, например задержка или доплеровское смещение частоты. Измеряемый в

интересах навигации параметр радиосигнала называют радионавигационным

(РНП), а соответствующий ему геометрический параметр — навигационным

(НП), поэтому задержка сигнала t и его доплеровское смещение частоты

являются радионавигационными параметрами, а соот­ветствующие им дальность до

объекта Д и радиальная скорость сближения объектов

служат навигационными параметрами. Связь между этими параметрами дается

соотношениями:

де с — скорость света; l — длина волны излучаемого НС сигнала.

Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением навигационного

параметра называют поверхностью положения. Пересечение двух

поверхностей положения определяет линию положения — геометрическое

место точек пространства, имеющих два определенных значения двух навигационных

параметров. Местоположение определяется координатами точки пересечения

трех поверхностей положения или двух линий положения. В ряде случаев (из-за

нелинейности) две линии положения могут пересекаться в двух точках. При этом

однозначно найти местоположение можно, только используя дополнительную

поверхность положения или иную информацию о местоположении объекта.

Для решения навигационной задачи, т. с. для нахождения вектора потребителя П,

используют функциональную связь между навигационными пара­метрами и

компонентами вектора потребителя. Соответствующие функцио­нальные зависимости

принято называть навигационными функциями. Конкрет­ный вид

навигационных функций обусловлен многими факторами: видом НП, характером

движения НС и потребителя, выбранной системой координат и т.д.

Навигационные функции для пространственных координат потребителя можно

определить с помощью различных разновидностей дальномерных, разностно-

дальномерных, угломерных методов и их комбинаций. Для получения навигационных

функций, включающих составляющие вектора скорости потре­бителя, используют

радиально-скоростные методы.

5. СРНС ГЛОНАСС

5.1. Структура и основные характеристики

Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная

НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и

высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения

вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских

и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В

настоящее время она состоит из трех подсистем:

· подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных

спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;

· подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных

пунктов контроля и управления;

· аппаратуры потребителей (АП).

Навигационные определения в ГЛОНАСС осуществляются на основе опросных

измерений в аппаратуре потребителей псевдодальности и радиальной

псевдоскорости до четырех спутников (или трех спутников при использовании

дополнительной информации) ГЛОНАСС, а также с учетом принятыx навигационных

сообщений этих спутников. В навигационных сообщениях, передаваемых с помощью

спутниковых радиосигналов, содержится информация о различных параметрах, в

том числе и необходимые сведения о положении и движении спутников в

соответствующие моменты времени. В результате обработки этих данных в АП

ГЛОНАСС обычно определяются три (две) координаты потребителя, величина и

направление вектора его земной (путевой) скорости, текущее время (местное или

в шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) или, по

другому, UТC(ГЭВЧ) (ГЭВЧ — Государственный эталон времени и частоты).

Основные характеристики СРНС ГЛОНАСС приведены в табл. 1 — 2, где для

сравнения приведены сведения об американской срсдневысотной СРНС GPS. В табл.

1 приведены общесистемные характеристики СРНС ГЛОНАСС. В табл. 2 приведены

как стандартные значения характеристик СРНС, так и их оценки на основе

данных, полученных в 1993—1995 гг. Последние показаны в скобках, причем для

С/А-кода, кода стандартной точности) значения приводятся для вариантов работы

с А/без SA (SA — Selective Availability — селективный доступ) ).

Таблица 1. Системные характеристики СРНС ГЛОНАСС

Параметр, способ	ГЛОНАСС	GPS
Число НС (резерв)	24 (3)	24 (3)
Число орбитальных плоскостей	3	6
Число НС в орбитальной плоскости	8	4
Тип орбит	Круговая (е =0±0,01)	Круговая
Высота орбит, км	19100	20145
Наклонение орбит, 1рад	64,8±0,3	55 (63)
Драконический период обращения НС	11ч 15 мин 44 с ±5 с	11 ч 56,9 мин
Способ разделения сигналов НС	Частотный	Кодовый
Несущие частоты навигационных радиосигналов МГц:
L1	1602,5625...1615,5	1575.42
L2	1246,4375...1256,5	1227,6 !
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код)
(дальномерного кода или его сегмента)		7 дн (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц	0,511	1,023 (С/А-код)
		10,23 (P,Y-код)
Скорость передачи цифровой информации
(соответственно СИ- и D- код), бит/с	50	50
Длительность суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в суперкадре	5	25 ;
Число строк в кадре	15	5
Система отсчетов времени	UTC(SU)	UTC(USNO) .
Система отсчета пространственных
координат	ПЗ-90	WGC-84
Тип эфемерид	Геоцентрические	Модифициро-­
	координаты и их	ванные кепле-
	производные	ровы элементы

Таблица 2.Точностные характеристики СРНС
	Параметр		Точность измерений
			GPS (P=0,95)		ГЛОНАСС (P=0,997)
	Горизонтальная плоскость, м	100 (72/18) 300 (Р=0.9999) 18		(С/А-код) (С/А-код) (Р-, Y-код!	60 (СТ-код) (39)
	Вертикальная плоскость, м	156 28	(135/34)	(С/А-кол) (Р-, Y-код)	75 (СТ-код) (67,5)
	Скорость, см/с	< 200 20		(С/А-код ) (Р-. Y-код)	15 (С'1-код)
	Ускорение, мм/с2	8 <19		(С/А-код) (С/А-код )	—
	Время, мкс	0,34 0,18 код)		(С/А-код ) (Р-, Y-	1 (CI-код)

5.2. Назначение и состав подсистемы контроля и управления

Наземный сегмент системы ГЛОНАСС — подсистема контроля и упрощения (ПКУ),

предназначена для контроля правильности функционирования правления и

информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из

следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой

ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС);

система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура

контроля поля (АКП).

Наземный сегмент выполняет следующие функции:

· проведение траекторных измерений для определения и прогнозировании

непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

· временные измерения для определения расхождения бортовых шкал

времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизации

спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и

службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени

спутников;

· формирование массива служебной информации (навигационных сообщений),

содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой

шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования

навигационных кадров;

· передача (закладка) массива служебной информации в память ЭВМ

каждого спутника и контроль за его прохождением;

· контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем

спутников и диагностика их состояния;

· контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием

сигнала вызова ПКУ;

· управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем

выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль

прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;

· определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала

спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная

обработка и передача данных между элементами ПКУ.

В автоматизированном режиме решаются практически все основные задачи

управления НС и контроля навигационного поля.

5.2.1 Центр управления системой

Центр управления системой соединен каналами автоматизированной и

неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми

элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании

принятого для ГЛОНАСС ежесуточною режима управления спутниками в рамках

технологического цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает

данные для прогноза эфемерид и частотно-временных оправок, осуществляет с

помощью, так называемого, баллистического центра расчет и анализ

пространственных характеристик системы, анализ баллистической и структуры и

расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

Информацию, необходимую для запуска спутников, расчета параметров

орбитального движения, управления ими в полете, ЦУС получает от системы

единого времени и эталонных частот, системы определения параметров вращения

Земли, системы мониторинга гелио- и геофизизической обстановки.

Центральный синхронизатор, взаимодействуя с ЦУС, формирует шкалу времени

ГЛОНАСС, которая используется для синхронизации процессов и теме, например, в

системе контроля фаз. Он включает в свой состав группу однородных стандартов.

5.2.2. Контрольные станции

Контрольные станции (станции управления, измерения и кон ля или наземные

измерительные пункты) по принятой схеме радиоконтроля орбит осуществляют

сеансы траёкторных и временных измерений, необходимых для определения и

прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал

времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую

информацию о состоянии бортовых систем спутников. С их помощью происходит

закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах,

эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и

оперативных команд для управления новыми системами.

Траекторные измерения осуществляются с помощью радиолокационных станций,

которые определяют запросным способом дальность до спутников и начальную

скорость. Дальномерный канал характеризуется максимальной ошибкой около 2 ...

3 м. Процесс измерения дальности до спутника совмещают по времени с процессом

закладки массивов служебной информации, временных программ и команд

управления, со съемом телеметрических данных спутника.

Для эфемеридного обеспечения с КС в ЦУС ежесуточно выдается по каждому

спутнику по 10 ... 12 наборов (сеансов) измеренных текущих навигационных

параметров объемом примерно 1 Кбайт каждый.

В настоящее время для обеспечения работ ГЛОНАСС могут использоваться КС,

рассредоточенные по всей территории России. Часть КС других элементов

наземного сегмента ГЛОНАСС осталась вне территории России (в странах СНГ) и

может быть использована лишь при наличии соответствующих договоренностей.

Размещение сети КС выбрано с учетом существующей инфраструктуры управления НС

и из условий надежного решения задач траекторных измерений для всей

орбитальной группировки.

Такая сеть КС обеспечивает закладку на спутники системы 1 раз/сут

вы­сокоточных эфемерид и временных поправок (возможна закладка 2 раз/сут).

В случае выхода из строя одной из станций возможна ее равноценная замена

другой, так как сеть КС обладает достаточной избыточностью и в наихудшей

ситуации работу системы может обеспечивать ЦУС и одна станция, однако

интенсивность ее работы будет очень высокой.

При планировании работы КС на сутки определяются основные и резервные станции

для проведения сеансов измерений с необходимой избыточ­ностью. Контрольные

станции имеют тройное резервирование по аппаратуре (один комплект рабочий,

второй — в резерве, третий — профилактические ра­боты). Коэффициент

готовности средств ПКУ в сеансе измерений и закладки информации на борт

спутника близок к единице.

Описанная сеть КС отличается от аналогичной структуры СРНС GPS тем, что

обеспечивает высокое качество управления орбитальной группиров­кой только с

национальной территории. КС ГЛОНАСС могут использоваться для обеспечения

функционирования других космических средств.

5.2.3. Эфемеридное обеспечение

Эфемеридное обеспечение поддерживается комплексом технических и программных

средств, выполняющих радиоконтроль орбит спутников с нескольких наземных КС,

обработку результатов траекторных измерений и рас эфемеридной информации

(ЭИ), передаваемой далее с помощью загрузочных станций на спутник.

Высокая точность расчета эфемерид обеспечивается соответствующей точностью

измерительных средств, внесением поправок на выявленные методических

траекторных измерений, но и накапливаемых за недельный срок. При этом

дальномерные данные, получаемые от станций слежения за спутниками,

периодически калибруются, что обеспечивает высокое качество траекторных

измерений в системе ГЛОНАСС.

Предполагается, что такие традиционные методы управления будут использоваться

до 2000 г. В дальнейшем будет осуществляться переход на новые технологии,

включающие межспутниковые угломерно-дальномерные измерения, что обеспечит

качественный скачок в координатно-временном обеспечении потребителей.

5.2.4. Особенности формирования эфемеридной информации в ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС создавалась в условиях, когда уровень фундаментальных

исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики не обеспечивал

требуемую точность эфемеридного обеспечения системы. В этих условиях был

проведен комплекс работ по обоснованию путей решения этой проблемы через

построение согласующих моделей движения спутников, параметры которых

определяют в процессе решения самой задачи баллистико-навигационного

обеспечения системы.

Исследования показали, что необходимо отказаться от типовых остро-резонансных

(например, с периодом обращения спутника равным 12 ч, как в СРНС GPS, когда

период вращения Земли вокруг своей оси равен двум периодам обращения

спутника) орбит спутников, так как в процессе моделирования уравнений

траекторного движения спутников это повышает устойчивость их решений и

ослабляет корреляции между параметрами отдельных уравнений (моделирующих,

например, изменение геопотенциала, координат измерительных средств,

радиационного давления). Кроме того, оказалось, что наивысшая точность

баллистико-эфемеридного обеспечения системы при решении многомерной

навигационной задачи с расширенным вектором состояния обеспечивается при

обработке измеренных текущих навигационных параметров на интервале 8 сут.

Переход от острорезонансных орбит был осуществлен путем „увеличения числа

витков спутника (по сравнению с GPS) на интервале 8 сут до 16 ... 17. Число

спутников в системе выбрано равным 24 с равномерным распределением по трем

орбитальным плоскостям. Все спутники системы фазируются таким образом, что на

больших временных интервалах они имеют один след на поверхности Земли. Это

обеспечивает высокую баллистическую устойчивость системы и относительно

высокую точность и простоту расчетов траекторий. Опыт эксплуатации системы

показал, что при обеспечении начального периода обращения спутника с

точностью не хуже 0,1 с на протяжении заданного срока активного существования

спутника его положение в системе корректировать не нужно.

В настоящее время в системе ГЛОНАСС используется запросная технология

эфемеридного обеспечения, когда исходной информацией для расчета эфемерид

служат данные измеренных текущих параметров (ИТП) спутников, поступающие в

ЦУС от контрольных станций по программам межмашинного обмена через

вычислительную сеть. Ежесуточно осуществляется 10 ... 12 сеансов передачи

информации по каждому спутнику.

Страницы: 1, 2