Особенности определения местоположения потребителя в СРНС

Факторы, влияющие на точность СРНС.

Формат навигационного сигнала.

Особенности определения местоположения потребителя в СРНС

Существенным достоинством СРНС является глобальность обеспечиваемой ими зоны обслуживания [15].

В состав системы входят:

комплекс наземных станций (подсистема контроля и управления);

группа (созвездие) спутников;

бортовое оборудование объектов навигации.

Спутники оборудованы радиоаппаратурой, вычислительными средствами, а также аккумуляторными батареями, заряжаемыми от солнечных элементов. Периодическая связь с наземными станциями обеспечивает уточнение траекторий, ориентации и отсчетов времени на спутниках. Вводимая в бортовые ЭВМ информация, в том числе о гравитационном поле Земли, влияющем на координаты спутника, позволяет систематически передавать на объекты навигации эфемеридную информацию (координаты и составляющие скоростей движения спутников, рассчитанные для определенного момента времени). Функционирование СРНС осуществляют с использованием практически когерентного излучения (немодулированного или сложномодулированного).

Спутниковые РНС основаны на использовании координированной по движению и излучению сигналов сети навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). Для работы СРНС выделены частоты в диапазоне дециметровых волн, близкие к оптимальным с точки зрения минимального поглощения сигнала при распространении и размеров антенн, используемых для передачи и приема. Функции опорных станций в СРНС выполняют НИСЗ.

Возможны как активные с активным ответом, так и пассивные СРНС. Большинство СРНС представляют собой многопозиционные пассивные системы, имеющие неограниченную пропускную способность.

Из возможных методов местоопределения в СРНС наиболее употребителен дальномерный метод, преимущества которого рассмотрены в п. 1.2. Измерения в дальномерной (квазидальномерной) системе описываются уравнениями:

(3.1)

для дальномерной системы и для квазидальномерной системы

, (3.2)

где	xi, yi, zi	–	известные координаты РНТ;
	x, y, z	–	искомые координаты объекта;
	с	–	скорость распространения электромагнитной волны;
	D Т	–	расхождение временных шкал навигационной системы и аппаратуры потребителя.

Уравнения (3.1) и (3.2) справедливы при точной синхронизации шкал времени на всех НИСЗ. В дальномерной системе погрешность шкалы времени НИСЗ входит в погрешность измерений. Для того чтобы эта погрешность не сказывалась на точности системы и не превышала, например, 0,3 м, расхождение шкал времени не должно быть больше 1 нс. Если принять, что каждый НИСЗ синхронизируется один раз за 12 ч, то для хранения времени на борту НИСЗ требуются генераторы со стабильностью около 10^-14. При использовании атомных генераторов с такой стабильностью СРНС является дополнительно источником точного времени.

Из (3.1) и (3.2) следует необходимость знания координат НИСЗ (т.е. х_i,y_i и z_i), соответствующих моменту проведения измерений. В наиболее распространенных СРНС каждый из НИСЗ вместе с навигационным сигналом передает свои эфемериды. Эфемериды определяют на наземных станциях слежения за спутниками и периодически транслируют на НИСЗ, где они запоминаются для последующего включения в сигнал спутника. В аппаратуре потребителя эфемериды пересчитываются на момент измерения и по ним находятся значения х_i,y_i, z_i спутника. Так как для определения местоположения потребителя необходимо несколько НИСЗ, то со спутника транслируется также так называемый альманах, содержащий эфемериды всех НИСЗ системы. Альманах служит для выбора спутника.

Первые СРНС функционировали по запросно-ответному принципу. Запросчик установленный на объекте посылал сигнал на спутник. По времени запаздывания ответных сигналов измерялось расстояния до НИСЗ и определялось местоположение объекта. Для обеспечения работы системы требовалось не менее двух НИСЗ.

В связи со сложностью построения бортового запросчика, который должен обеспечить направленную посылку запросных сигналов сравнительно большой мощности, применялась дальномерная РНС, работающая с наземным центром. Запросные кодированные сигналы посылались в этой системе на объект через два или более спутника. Бортовой ответчик вырабатывал ответные сигналы, которые через спутники передавались в наземный центр, где ЦВМ вычисляло место объекта и по специальной радиолинии передавало полученную информацию на объект. Система из двух спутников позволяла определить местоположение самолета, а из трех – дополнительно и высоту полета.

Однако такие РНС обладали низкой пропускной способность, требовали установки на объектах мощной передающей аппаратуры, потребляли большое количество энергии, являлись маломобильными и не отвечали современным требованиям оперативности получения информации неограниченным числом потребителей.

СРНС США «Транзит» [6] основана на запросно-ответном методе навигации. Включает 5-6 низкоорбитальных ИСЗ, вращающихся вокруг Земли по практически круговым орбитам (высота 1100 км, период обращения около 110 мин). Эфемеридная информация каждого ИСЗ корректируется при его прохождении в районе командно-измерительного комплекса. Двухканальная аппаратура с основным каналом f ₁ = 400 МГц и вспомогательным f ₂ = 150 МГц обеспечивает компенсацию ионосферных ошибок. Точность местоопределения на поверхности Земли 30...70 м.

В дальнейшем были разработаны пассивные дальномерные СРНС, к числу которых относится отечественная глобальная навигационная система «Глонасс», американская система «Navstar» и европейская система «Navsat». Структуры этих систем имеют много общего [6].

1. 2. Состав СРНС. Контрольно-измерительный комплекс

Основными компонентами СРНС являются – подсистема НИСЗ, наземный командно-измерительный комплекс (КИК) и подсистема потребителей.

Подсистема НИСЗ содержит такое число спутников, при котором в любой точке земного шара в зоне видимости потребителя наблюдаются не менее четырех спутников. Одна из наиболее подходящих конфигураций созвездия НИСЗ для СРНС содержит от 18 до 24 спутников, размещенных равномерно на нескольких круговых орбитах, смещенных на равные интервалы по долготе. Высота орбит около 20 000 км, а время обращения спутника примерно 12 ч. Большая высота орбит кроме расширения зоны видимости НИСЗ способствует уменьшению возмущающего влияния атмосферы на параметры орбиты и повышению точности долгосрочного прогноза эфемерид. При таком созвездии в зоне видимости потребителя всегда находятся не менее шести спутников, что позволяет выбрать те из них, для которых геометрический фактор минимален. Расчеты показывают, что при созвездии из 24 НИСЗ геометрический фактор Г при определении трех координат с вероятностью 0,99 не превышает 4, а при определении на плоскости (две координаты) при той же вероятности Г £ 2. Среднеквадратическое значение геометрического фактора при пространственном местоопределении, усредненное по времени и по поверхности Земли, составляет 2,6 при использовании четырех наилучших по геометрическому расположению НИСЗ.

На одних и тех же частотах спутники излучают навигационные сигналы и служебную информацию, содержащую эфемериды спутника, альманах и дополнительные данные (поправка на ионосферную рефракцию, информация о «возрасте» данных, поправка к эталону времени спутника, сведения о работоспособности его аппаратуры и некоторые другие). Массив служебной информации формируется по сигналам КИК, закладываемых в блок памяти НИСЗ.

Контрольно-измерительный комплекс выполняет свои функции во взаимодействии с комплексами потребителей целевой информации. Глобальность и практическая непрерывность информационного взаимодействия обеспечивается: многопозиционной структурой контрольно-измерительного комплекса; оснащением всех его позиций радиоэлектронными измерительными средствами и средствами передачи информации; включением в его состав корабельных позиций.

Контрольно-измерительный комплекс выполняет следующие операции: определение орбит НИСЗ; вычисление расхождения бортовых шкал времени НИСЗ со шкалой системного времени; предсказание эфемерид каждого НИСЗ и уходов бортового времени; формирование массива служебной информации и закладка его в память соответствующего спутника, а также телеметрический контроль работы систем спутников и диагностика их состояния. Параметры орбит измеряются по навигационным сигналам НИСЗ на рабочих частотах системы. Для выполнения остальных функций служат дополнительные частоты дециметрового диапазона.

Подсистема потребителей состоит из аппаратуры, установленной на космических кораблях, самолетах, вертолетах и других объектах и позволяющей найти местоположение и другие интересующие потребителя навигационные элементы.

Дата добавления: 2014-01-07