Основные принципы работы системы ГЛОНАСС - Исследование метода создания опорной геодезической сети с помощью спутниковой технологии

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 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 кепле-ровских 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 2ф 0 =38° и "освещает" диск Земли с избытком до высоты ho над поверхностью.

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

БШф o=(ho+r)/(H+r),

Где r = 6400 километров -- радиус Земли; H = 19100 километров -- высота орбиты НКА.

Подставив ф 0=19°, получим h0 = 2000 километров.

При полной ОГ (24 штатных НКА) радионавигационное поле на высотах h < h0 = 2000 километров. 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 око-лозенитного и пригоризонтного НКА на выходе "стандартной" приемной антенны (без учета отражений от поверхности Земли):

P0 = P" <3(ф ) G0(P ) X 2/(4л: R)2,

Где Pn _ мощность излучения передатчика; G^ ) -- коэффициент направленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении ф на приемную антенну; G0(P ) -- коэффициент направленности "стандартной" приемной антенны в направлении Р на передающую антенну; X -- длина волны несущего колебания радиосигнала; R -- 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^ ) передающих антенн в рабочем секторе направлений ф < 19° относительно оси антенны составляет:

Таблица №1

Ф, угл. град.

15°

19°

Gfa ),дБ (1600 МГц)

10

12

8

Gfa ),дБ (1250 МГц)

9

11

9

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

Дальность R от приемной антенны, размещенной на поверхности Земли, до околозенитного (Р = 90°) НКА составит

R = H = 19100 километров, до пригоризонтного (Р =5° ) НКА составит R = 24000 километров.

Бюджет мощности Р0 узкополосных навигационных радиосигналов на выходе "стандартной" приемной антенны:

Таблица №2

Длина волны

1600 МГц

1250 МГц

1

2

3

Р, угл. град.

    9 0

О

90°

Рп, дБ Вт

+ 1 5 ± 1

+ 9 ± 1

G(9 ), дБ

+10

+12

+9

+11

(X/ 4 п R)2, дБ

- 182

- 184

- 180

- 182

G0(P ), дБ

0

0

Б

Д

,0

Р0

- 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

Рис. 4 Структура сигнала ГЛОНАСС

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 -- 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 to.

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 с, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр -- 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)

Похожие статьи




Основные принципы работы системы ГЛОНАСС - Исследование метода создания опорной геодезической сети с помощью спутниковой технологии

Предыдущая | Следующая