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 h0 < 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 = Pп G(j ) G0(b ) l 2/(4p R)2,

где Pп 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. 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° 90°
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.

Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru

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 tk;
  • 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 Sk(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 :

Sk(t)=Rk(t)+ct 0(t)+cd t k(t)+d Sk(t),

где Rk(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 Sk(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

Sв(t)=S0(t)+А/¦ Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru ; Sн(t)= S0(t)+А/¦ Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru ,

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

S0(t)= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru Sв(t)- Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru Sн(t); m=¦ н в=7/9.

Погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:

d S0 = Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru d Sв - Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru d Sн = 2,53d Sв - 1,53d Sн .

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) = Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru ,

где c ¾ скорость света; F1 ¾ тактовая частота ПСП1; Pc /gш 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 (Sв)]2+[1,53s (Sн)]2}1/2 ;

и соответственно получим при T0=1c

s (S0)= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru

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 Pc2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала Pc1 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)= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru .

Подставляя Pc2/Pc1= - (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)= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru s (S)=9,0м.

В тропосфере скорость распространения радиоволны равна c=c0/n(h), где с0¾ 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 )= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru

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°
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= Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru

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 h1 £ h £ h2 = 300 км D n(h) линейно возрастает до D nm , где D nm ¾ максимальное значение D n(h) ;
  3. при h2 £ h £ h3 = 400 км D n(h) = D nm ;
  4. при h ³ h3 = 400 км D n(h) = D nm e Навигационные измерения в многоканальной НАП - student2.ru

, 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 = bэ D nm ;

bэ = 0,5 (h2-h1)+(h3-h2)+a=400 км .

Параметр bэ можно назвать толщиной эквивалентной ионосферы, у которой D n(h) = D nm 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 nm 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 nm=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.

Наши рекомендации