Принцип построения и функционирования спутниковых радионавигационных систем

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, вычисляется положение объекта в пространстве. При этом для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.В спутниковых радионавигационных системах (СРНС) второго поколения применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой -20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию высокостабильных эталонов (источников) времени, и частоты в системе обеспечивается достаточно точная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА.

В основу концепции построения СРНС второго поколения(ГЛОНАСС и GPS) был положен ряд принципиальных требований, вытекающих из назначения систем. Согласно этим требованиям, создаваемое ими навигационное поле должно быть глобальным, непрерывным в пространстве и времени, обеспечивать необходимую кратность (не менее четырех) покрытия рабочей зоны, возможность НВО независимо от метеоусловий, рельефа местности (при условии радиовидимости необходимого числа НКА), а также от характера движения объекта.

Основное назначение СРНС второго поколения — глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических аппаратов. Это означает, что любой объект, оснащенный приемником СРНС, может в любом месте приземного пространства и в любой момент времени определить параметры своего движения — три координаты и три составляющие вектора скорости.

Наряду с обеспечением оперативной навигации различных объектов СРНС второго поколения позволяют проводить:

- локальную высокоточную навигацию подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов с применением стационарных наземных корректирующих станций;

- высокоточную взаимную геодезическую «привязку» удаленных наземных объектов;

- взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах;

- неоперативную автономную навигацию среднеорбитальных космических объектов;

- определение ориентации объекта на основе радиоизмерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

Для достижения таких важнейших качеств, как непрерывность и высокая точ­ность навигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе со­временной СНС типа ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные под­системы :

навигационных космических аппаратов (НКА), состоящая из навигационных ИСЗ (в дальнейшем ее называем сетью навигационных спутников (НС) или космиче­ским сегментом);

контроля и управления (ПКУ) (наземный командно-измерительный комплекс (КИК) или сегмент управления);

аппаратура потребителей (АП) СРНС (приёмоиндикаторы (ПИ) или сег­мент потребителей). Разнообразие видов приёмоиндикаторов СРНС обеспечи­вает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в преде­лах ближнего космоса) потребителей.

При проектировании СРНС второго поколения были избраны среднеорбитальные НКА с высотой орбиты порядка 20 тыс. км (дальнейшее увеличение высоты орбиты нецелесообразно, так как практически не приводит к расширению зоны видимости НКА). Период обращения НКА при такой высоте орбиты равен примерно 12 ч. В этом случае, чтобы гарантировать в любой точке Земли одновременное наблюдение не менее четырех НКА, в составе орбитальной группировки должно быть не менее 18 НКА, однако для повышения точности и надежности навигационных измерений было решено увеличить это число до 24.

Основное назначение НКА − формирование и излучение жестко синхронизированных сигналов, которые используются потребителями для навигационных определений, а назначение НКЦ − контроль функционирования бортовых систем и организация управления их работой. Соответственно, в состав бортовой аппаратуры входят передатчики и антенны навигационных сигналов и телеметрической информации, антенны и приемники данных и команд, передаваемых от НКУ, бортовой эталон времени и частоты, блоки ориентирования, источники питания и различное вспомогательное оборудование. На НКА может также размещаться дополнительное оборудование, например детекторы обнаружения ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Передатчики НКА излучают сигналы, имеющие в своем составе, как правило, две компоненты:

1) Дальномерная псевдослучайная последовательность (ПСП).

2) Информационная последовательность (ИП), которая содержит:

- эфемеридная информация (ЭИ) НКА;

- альманах созвездия НКА;

- метки системного времени;

- частотно-временные поправки;

- параметры атмосферной модели;

- информация о статусе сообщения;

- сведения о работоспособности НКА.

ИП используется в НАП при решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости и временной поправки к местной шкале времени. Она формируется на борту НКА на основе данных, передаваемых от НКУ системы на борт НКА с помощью радиотехнических средств.

Передаваемая в навигационных радиосигналах ИП структурирована в виде строк, кадров и суперкадров. В составе каждого кадра передается полный объём оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах передается в пределах суперкадра.

Альманах системы содержит время, к которому он относится, параметры орбиты, номера каналов для каждого штатного НКА в ОГ, поправку к ШВ системы относительно ШВ страны. Альманах системы необходим в НАП для планирования сеанса навигации (выбор оптимального созвездия НКА) и для приёма навигационных радиосигналов в системе (прогноз доплеровского сдвига несущей частоты). Информация об эфемеридах НКА позволяет рассчитать его координаты и составляющие скорости [1].

Наземный комплекс обеспечивает наблюдение и контроль за траекторией движения НКА, качеством функционирования их аппаратуры, управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации. Наземный комплекс состоит из координационно-вычислительного центра, станций траекторных измерений, станций управления, системного эталона времени и частоты.

Периодически, при полете НКА в зоне видимости станции управления, происходит закладка в память бортовой ЭВМ спутника специальной информации, которая затем передается потребителям в навигационном сообщении в виде кадров соответствующего формата. В частности, в это сообщение закладывается так называемый альманах — набор справочных сведений о сети НКА, включающий эфемериды (параметры движения) всех НКА, которые используются приемником для начального выбора рабочего созвездия спутников.

Приемники (приемоиндикаторы) СРНС предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения местоположения объекта путем измерения расстояния до спутников с известными координатами.

Наиболее развитыми на данный момент являются СРНС NAVSTAR-GPS и ГЛОНАСС. Именно поэтому сигналы со спутников данных систем широко применяются в современной навигационной аппаратуре. Орбитальная группировка системы NAVSTAR-GPS содержит 24 штатных НКА на круговых синхронных орбитах с периодом обращения Т = 12 ч 00 мин (высота орбиты составляет около 20 000 км над поверхностью Земли) в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением 55°, долготы восходящих узлов которых смещены с интервалом 60°.

Передатчики НКА GPS излучают навигационные сигналы с правой круговой поляризацией в трёх частотных диапазонах:

1) L5 (E5a) 1164..1189 МГц с центральной частотой 1176,45 МГц,

2) L2 1215..1237 МГц с центральной частотой 1227,60 МГц,

3) L1 1563..1587 МГц с центральной частотой 1575,42 МГц.

В диапазоне L5 передается F-код для точной навигации гражданской авиации. Он представляет собой ПСП длиной 4000..10230 бит. Он, как и сигналы GPS во всех диапазонах, модулируется метом относительной фазовой манипуляции с двумя уровнями (ОФМ-2, BPSK). Минимальный уровень этого сигнала, принимаемого на линейно поляризованную антенну с коэффициентом усиления 3 дБ при углах места не более 5°, составляет минус 154 дБВт.

В диапазоне L2 передаются три составляющие:

1) C/A-код (Clear (Coarse) / Acquisition), открытый для мирового сообщества. Минимальный уровень этого сигнала минус 166 дБВт.

2) P(Y)-код, доступный санкционированным пользователем. Минимальный уровень этого сигнала минус 166 дБВт.

3) M-код, который дополнительно введён США для применения в военных целях. Он передается с более высоким минимальным уровнем, который составляет минус 138 дБВт.

C/A-код (код Голда) передается с тактовой частотой 1,023 МГц, занимает полосу частот 2,046 МГц. Он представляет собой ПСП длительностью 1 мс. (1023 бит).

P-код представляет собой ПСП длительностью 7 суток. Закрытый P(Y)-код передается с тактовой частотой 10,23 МГц, занимает полосу 20,46 МГц. Он представляет собой ПСП длительностью 267 суток (примерно 236·10¹² бит).

В диапазоне L1 передаются те же три составляющие, но с другими минимальными уровнями: C/A-код - минус 160 дБВт, P(Y)-код - минус 163 дБВт, M-код - минус 138 дБВт.

Таблица 1.1 – Среднеквадратические отклонения основных источников
определения псевдодальности, м

Источники ошибок определения расстояния	С/А-код	Р-код
Погрешность из-за ионосферы, м		2,25
Погрешность из-за тропосферы, м	0,7	0,7
Погрешность из-за многолучевости, м	1,2	1,2
Погрешность из-за шумов приёмника, м	1,5	1,45
Погрешности координатно-временного обеспечения НКА, м	3,6	3,6
Погрешность общая, м	8,1	6,5
Итого, м	22,1	15,7

Последовательность всех охарактеризованных сигналов, кроме P(Y)-кода, образуется сложением по модулю два двух двоичных сигналов: псевдослучайного дальномерного кода и ИП. В составе P(Y)-кода ИП не передаётся.

Передаётся ИП с одинаковой скоростью 50 бит/с. Суперкадр в составе С/А-кода, который содержит альманах, имеет объём 22500 бит (7,5 минут). Суперкадр делится на 25 кадров ёмкостью 1500 бит (30 секунд). Кадр содержит 5 субкадров объёмом по 300 бит. Минимальной структурной единицей ИП является слово ёмкостью 30 бит [1].

Рассмотрим теперь архитектуру СРНС ГЛОНАСС. Космический сегмент данной системы образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных и 3 резервных НКА. НКА находятся на трёх круговых орбитах высотой примерно 19100 км, наклонением 64,8° и равномерно разнесённых по долготе через 120°. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°. Аргументы широты восьми НКА в трёх орбитальных плоскостях сдвинуты на ± 15°. За время эксплуатации НКА на орбите (до пяти лет) его реальные положения в ОГ могут отличаться от номинальных не более чем на ± 5° [3].

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА. Поскольку для взаимноантиподных НКА в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных НКА минимально необходимое число несущих частот в каждом диапазоне частот равно 12 [1].

Передатчики НКА ГЛОНАСС излучают навигационные сигналы с правой круговой поляризацией в двух частотных диапазонах:

1) L2 1242.4265..1249.1360 МГц,

2) L1 1597.5515..1605.8860 МГц.

Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов НКА ГЛОНАСС в частотных диапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями:

, (1.1)

, (1.2)

где К = -7..6 – номера несущих частот навигационных радиосигналов;

f₀₁ = 1602 МГц; Δf₁=562,5 кГц, для диапазона L1;

f₀₂ = 1246 МГц; Δf₂=437,5 кГц, для диапазона L2.

В диапазоне L2 передаются две составляющие:

1) Код стандартной точности (СТ) предназначен для использования гражданскими потребителями. Минимальный уровень этого сигнала минус 167 дБВт,

2) Код высокой точности (ВТ) модулирован специальным кодом. Минимальный уровень этого сигнала минус 167 дБВт.

Код СТ передаётся с тактовой частотой 0,511 МГц, занимает полосу частот 1,022 МГц. Он представляет собой ПСП длительностью 1 мс. (511 бит). Код ВТ передаётся с тактовой частотой 5,11 МГц, занимает полосу 10,22 МГц.

На рисунке 1.3 представлены амплитудные спектры сигналов GPS и ГЛОНАСС.

Рисунок 1.3 – Амплитудные спектры сигналов GPS и ГЛОНАСС

В диапазоне L1 передаются те же две составляющие, но с другими минимальными уровнями: Код СТ - минус 161 дБВт, код ВТ - минус 161 дБВт. ИП передается со скоростью 50 бит/с. Суперкадр, который содержит альманах, имеет объём 7500 бит (2,5 минут). Суперкадр делится на 5 кадров ёмкостью 1500 бит (30 секунд). Кадр содержит 15 строк объёмом по 300 бит (2 секунды) [6].