Навигационные измерения в многоканальной НАП

Основные принципы работы системы ГЛОНАСС

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

• горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.
Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.
Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

Радионавигационное поле

Навигационные радиосигналы, излучаемые штатными НКА, образуют радионавигационное поле в околоземном пространстве.

В СРНС ГЛОНАСС каждый штатный НКА излучает навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц в сторону Земли с помощью передающих антенн, рабочая часть диаграммы направленности (ДН) которых имеет ширину 2j 0 =38° и “освещает” диск Земли с избытком до высоты h₀ над поверхностью.

Рабочую часть ДН можно представить в виде конусного радиолуча с углом 2j ₀ при вершине. Очевидно, что

sinj ₀=(h₀+r)/(H+r),

где r = 6400 км ¾ радиус Земли; H = 19100 км ¾ высота орбиты НКА.

Подставив j 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 этого пространства “освещается” радиолучами не менее чем от четырех НКА, образующих по отношению к нему удовлетворительное по геометрическому фактору созвездие для оперативного автономного определения координат и вектора скорости.

На высотах h > h₀ радионавигационное поле становится дискретным в пространстве. Космические объекты на высотах h_{0 <} h < H “освещены” радиолучами от необходимого для оперативной навигации созвездия (не менее четырех НКА, включая НКА ниже местного горизонта) не везде, а только при нахождении в определенных областях пространства.

Космические объекты 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 космического объекта на основе обработки результатов приема навигационных радиосигналов на “освещенных” участках орбиты.

Ограничимся рассмотрением непрерывного радионавигационного поля (h £ h₀). Основной характеристикой радионавигационного поля для наземного потребителя являются мощности навигационного радиосигнала от околозенитного и пригоризонтного НКА на выходе “стандартной” приемной антенны (без учета отражений от поверхности Земли):

P₀ = P_п G(j ) G₀(b ) l ²/(4p R)²,

где P_{п ¾} мощность излучения передатчика; G(j ) ¾ коэффициент направленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении j на приемную антенну; G₀(b ) ¾ коэффициент направленности “стандартной” приемной антенны в направлении b на передающую антенну; l ¾ длина волны несущего колебания радиосигнала; R ¾ дальность от приемной антенны до передающей антенны.

В системе ГЛОНАСС передающие антенны для навигационных радиосигналов на НКА имеют круговую правую поляризацию излучения.

Коэффициент направленности G(j ) передающих антенн в рабочем секторе направлений j £ 19° относительно оси антенны составляет

j , угл.град.	0°	15°	19°
G(j ),дБ (1600 МГц)
G(j ),дБ (1250 МГц)

В качестве “стандартной” приемной антенны удобно рассматривать изотропную приемную антенну с круговой поляризацией, G₀(b ) = 1.

Дальность R от приемной антенны, размещенной на поверхности Земли, до околозенитного (b = 90° ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного (b =5° ) НКА составит R = 24000 км.

Бюджет мощности P₀ узкополосных навигационных радиосигналов на выходе “стандартной” приемной антенны:

	1600 МГц	1250 МГц
b , угл. град.	90°	5°	90°	5°
Pп, дБ Вт	+ 1 5 ± 1	+ 9 ± 1
G(j ), дБ	+10	+12	+9	+11
(l ¤ 4 p R)2, дБ	- 182	- 184	- 180	- 182
G0(b ), дБ
P0, дБ	- 157± 1	- 157± 1	- 162± 1	- 162± 1

Отметим, что мощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземным потребителем с помощью изотропной антенны, одинакова для околозенитного и пригоризонтного НКА.

Структура сигнала ГЛОНАСС

грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);

последовательности навигационных 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 не раскрывается.

Для навигационных 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.

В узкополосном навигационном радиосигнале 1600 МГц строка ЦИ имеет длительность 2 с (вместе с МВ) и содержит 85 двоичных символов длительностью по 20 мс, передаваемых в относительном коде. Первый символ каждой строки является начальным (“холостым”) для относительного кода. Последние восемь символов в каждой строке являются проверочными символами кода Хемминга, позволяющие исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке. Кадр содержит 15 строк (30 с), суперкадр 5 кадров (2,5 мин).

В составе каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ и часть альманаха системы. Полный альманах передается в пределах суперкадра.

Оперативная ЦИ в кадре относится к НКА, излучающему навигационный радиосигнал, и содержит:

• признаки достоверности ЦИ в кадре;
• время начала кадра t_k;
• эфемеридную информацию ¾ координаты и производные координат НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t₀;
• частотно-временные поправки (ЧВП) на момент времени t₀ в виде относительной поправки к несущей частоте навигационного радиосигнала и поправки к БШВ НКА;
• время t₀.

Время t₀, к которому “привязаны” ЭИ и ЧВП, кратны 30 мин от начала суток.

Альманах системы содержит:

• время, к которому относится альманах;
• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к БШВ для каждого штатного НКА в ОГ (24 НКА);
• поправку к ШВ системы относительно ШВ страны, погрешность поправки не более 1 мкс.

Альманах системы необходим в НАП для планирования сеанса навигации (выбор оптимального созвездия НКА) и для приема навигационных радиосигналов в системе (прогноз доплеровского сдвига несущей частоты). Оперативная ЦИ необходима в НАП в сеансе навигации, так как ЧВП вносятся в результаты измерений, а ЭИ используется при определении координат и вектора скорости потребителя.

В системе НАВСТАР ЦИ в узкополосных навигационных радиосигналах структурирована следующим образом: строка имеет длительность 6 c, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр ¾ 25 кадров (12,5 мин).

Узкополосные навигационные радиосигналы в системе ГЛОНАСС обеспечивают более оперативный прием (обновление) альманаха за счет более короткой длительности суперкадров (2,5 мин) по сравнению с системой НАВСТАР (12,5 мин)

Навигационные измерения в многоканальной НАП

Рассмотрим многоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначенную для глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемная антенна.

В каждом канале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналом принимается ЦИ и ежесекундно измеряются два навигационных параметра ¾ псевдодальность и радиальная псевдоскорость.

Псевдодальность от объекта до НКА измеряется в НАП посредством измерения сдвига принимаемой ПСП1 относительно опорного сигнала в НАП. Радиальная псевдоскорость объекта относительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частоты принимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигнала в НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.

Результаты измерений псевдодальностей S_k(t) не менее, чем для четырех выбранных НКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можно выразить следующим образом :

S_k(t)=R_k(t)+ct 0(t)+cd t _k(t)+d S_k(t),

где R_k(t) ¾ дальность от объекта до НКА; с ¾ скорость света; t 0 (t) ¾ сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; d t _k(t) ¾ погрешность ЧВП; d S_k(t) ¾ погрешность измерений в НАП.

В двухдиапазонной НАП навигационные измерения псевдодальностей на двух несущих частотах ¦ _в" 1600 МГц и ¦ _н" 1250 МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом. Обозначим S₀(t) ¾ измеренная псевдодальность без ионосферных погрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов

S_в(t)=S₀(t)+А/¦ ; S_н(t)= S₀(t)+А/¦ ,

где А/¦ ² ¾ ионосферная погрешность измерения псевдодальности, то алгоритм получения объединенного результата S₀(t), в котором исключены ионосферные погрешности будет следующим:

S₀(t)= S_в(t)- S_н(t); m=¦ _н /¦ _в=7/9.

Погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:

d S₀ = d S_в - d S_н = 2,53d S_в - 1,53d S_н .

В сеансе навигации результаты измерений в НАП псевдодальностей относительно не менее четырех НКА, выбранных для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных НКА позволяют определить три координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала) относительно ШВ системы.

Задача настоящего раздела ¾ оценить погрешность измерения псевдодальностей в многоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов. Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальной НАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера (в однодиапазонной НАП).

При оценке погрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входе приемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1 применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейного участка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.

Шумовую погрешность s (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можно оценить следующим образом:

s (S) = ,

где c ¾ скорость света; F₁ ¾ тактовая частота ПСП1; P_c /g_ш ¾ энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала на входе приемника; k ¾ ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k ~ 1,5); T₀ ¾ интервал осреднения (накопления) измерений.

Энергетические потенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП с широконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]:

	b =90°	b =5°
1600 МГц	+47...49	+39...44
1250 МГц	+43...45	+34...39

и соответственно шумовые погрешности однодиапазонных измерений при осреднении T₀ = 1с составят [м]:

	b = 9 0 °	b = 5 °
s (Sв) 1600 МГц	1,7...2,1	3,3...6,0
s (Sн) 1250 МГц	3,0...4,0	5,9...10,5

Шумовую погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности найдем следующим образом:

s (S₀)={[2,53s (S_в)]²+[1,53s (S_н)]²}^1/2 ;

и соответственно получим при T₀=1c

s (S₀)=

Навигационный радиосигнал от пригоризонтного НКА может приходить к наземному подвижному объекту не только прямым путем но и за счет зеркального отражения от земной поверхности (многолучевость). Отраженный радиосигнал приходит к объекту с направления ниже местного горизонта, и при зеркальном отражении изменяется на противоположное направление круговой поляризации радиосигнала. С учетом данного обстоятельства и за счет пространственной избирательности приемной антенны мощность отраженного радиосигнала P_c2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала P_c1 на входе приемника.

Погрешность измерения псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленная многолучевостью при использовании узкополосного навигационного радиосигнала, будет максимальна в худшей ситуации, когда задержка D t отраженного радиосигнала относительно прямого радиосигнала на входе приемника будет равна D t=1/2F₁, где F₁ ¾ тактовая частота ПСП1. При D t< < 1/2F₁, и при D t> 3/2F₁ погрешность будет много меньше, чем в худшей ситуации. При T₀=1 c погрешность псевдодальности до пригоризонтного НКА из-за многолучевости в худшей ситуации для узкополосных навигационных радиосигналов будет равна

s (S)= .

Подставляя P_c2/P_c1= - (30...32) дБ, получим s (S)= 3,0 м, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Следовательно, при двухдиапазонных измерениях (1600 МГц, 1250 МГц) и T₀ =1 c получим:

s (S₀)= s (S)=9,0м.

В тропосфере скорость распространения радиоволны равна c=c₀/n(h), где с_0¾ скорость распространения света в вакууме; n(h)¾ коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)> 1 .

Тропосферную погрешность беззапросного измерения дальности (псевдодальности) для НКА при углах возвышения НКА b ³ 5 ° можно найти следующим образом:

D R(b )=

В НАП тропосферные погрешности компенсируются расчетными поправками. Если рассчитывать тропосферные поправки для средних параметров тропосферы (глобально), то их погрешность s (D R) составит 10% от величины поправки D R(b ).

Для оценки погрешностей можно воспользоваться простой экспоненциальной моделью тропосферы:

D n(h) = D n(0) e^-h/а;

и, подставив средние значения D n(0)=3× 10^-4, a=8 км, получим:

b , угл.град..........................	90°	10°	5°
D R(b ), м.............................	2,5
s (D R), м.............................	0,25	1,5	3,0

Проведем оценку ионосферных погрешностей измерения псевдодальности в однодиапазонной НАП (1600 МГц). Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах от 300 до 400 электронная концентрация в ионосфере максимальна и выше с увеличением высоты уменьшается приблизительно экспоненциально и на высоте 900 км электронная концентрация в ионосфере составляет приблизительно 10% от максимальной.

Групповая скорость радиосигнала в ионосфере равна с = с₀n(h), где с₀ ¾ скорость света в вакууме, n(h) ¾ коэффициент преломления ионосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)<1. Коэффициент преломления в ионосфере n(h) зависит от частоты радиосигнала и для частоты радиосигнала f >100 МГц можно воспользоваться равенством:

D n(h) = 1-n(h) = 40,3 N(h) / f ²,

где N(h) ¾ электронная концентрация ионосферы на высоте h [эл/см³]; f-несущая частота радиосигнала [кГц].

Проведем оценку ионосферных погрешностей беззапросного измерения дальности (псевдодальности) до околозенитного и пригоризонтного НКА.

Ионосферную погрешность при вертикальном прохождении радиолуча к наземному объекту от зенитного НКА можно оценить следующим образом:

d R₁=

Вертикальный профиль величины D n(h) в зависимости от высоты можно представить в виде:

1. при h £ h₁=100 км D n(h) = 0 ;
2. при h_{1 £} h £ h₂ = 300 км D n(h) линейно возрастает до D n_m , где D n_m ¾ максимальное значение D n(h) ;
3. при h_{2 £} h £ h₃ = 400 км D n(h) = D n_m ;
4. при h ³ h₃ = 400 км D n(h) = D n_m e

, a=200 км.

Используя данную аппроксимацию для D n(h) , получим формулу для оценки ионосферной погрешности беззапросных измерений дальности (псевдодальности) до зенитного НКА

d R₁ = b_э D n_m ;

b_э = 0,5 (h₂-h₁)+(h₃-h₂)+a=400 км .

Параметр b_э можно назвать толщиной эквивалентной ионосферы, у которой D n(h) = D n_m на высотах h = 200...600 км и вне этих высот D n(h) = 0.

Ионосферную погрешность d R₂ псевдодальности горизонтного НКА (b = 0 ° ) можно приблизительно оценить следующим образом:

d R₂ = d R₁/ cosg ; sing = r/(r+h₃) ,

где g ¾ угол между радиолучом от горизонтного НКА (b = 0 ° ) и местной вертикалью на высоте h₃=400 км (середина эквивалентной ионосферы) ; r ¾ радиус Земли . Проводя вычисления , получим g = 7 3 ° и соответственно d R₂=3,3 d R₁. Для пригоризонтного НКА (b =5° ...10° ) можно считать, что d R₂=3 d R₁.

Найдем величину D n_m для несущей частоты f=1600 МГц навигационного радиосигнала. В средних широтах в худший сезон (зимний день) в годы максимальной солнечной активности максимальная электронная концентрация на высотах 300...400 км может достигать N = 3,0× 10⁶ эл/см³, и соответственно для f=1,6× 10⁶ кГц получим

D n_m=3,8× 10^-5 , d R₁=15 м , d R₂=45 м.

Ночью и летом ионосферные погрешности будут в несколько раз меньше. В годы минимальной солнечной активности ионосферные погрешности даже в зимний день в 5...6 раз меньше приведенных выше максимальных значений.

Обсудим перспективу, когда в системе ГЛОНАСС будут эксплуатироваться НКА второй модификации, которые будут излучать двухкомпонентный навигационный радиосигнал 1250 МГц вместо однокомпонентного радиосигнала 1250 МГц в НКА первой модификации. Соответственно появляется возможность проводить измерения навигационных параметров в двухдиапазонной НАП с использованием узкополосных радиосигналов 1600 МГц и1250 МГц для исключения ионосферных погрешностей измерений. Но при двухдиапазонном измерении псевдодальности значительно возрастут шумовые погрешности и погрешности из-за многолучевости по сравнении с однодиапазонной НАП (1600 МГц). На динамичных объектах с недетерминированной моделью движения (T₀=1 с) нецелесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц для определения координат объекта, поскольку в этом случае , как было показано выше:

1. шумовые погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА составят s (S₂) = 12...22 м, т.е. превысят ионосферные погрешности измерений в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день);
2. погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленные многолучевостью, составят s (S₂) = 9 м (в худшей ситуации), т.е. будут соизмеримы с ионосферными погрешностями в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день).

На малодинамичных наземных объектах целесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы, поскольку в НАП на малодинамичных объектах можно длительно осреднять результаты измерений (T₀=30 c) и снижать до необходимого уровня шумовые погрешности псевдодальности и погрешности из-за многолучевости.