Организационная структура СНС "ГЛОНАСС" и GPS - Спутниковые навигационные приемники

Организация работы обеих систем в целом является схожей. ГЛОНАСС и GPS состоят из трех основных частей (в профессиональной литературе эти части называются - сегментами).

В состав обоих систем входит:

    - космический сегмент - в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли; - сегмент управления - сеть наземных станций слежений и управления за ИСЗ; - сегмент потребителей - собственно GPS - приемники.

Рис. 1

Космический сегмент ГЛОНАСС

Он состоит из 24 спутников (21 основной 3 резервных, находящихся в горячем режиме) расположенных на круговых средних орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол 64,30 к плоскости экватора и равномерно расположены на 3-х орбитах по 8 спутников на каждой. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 1200. Период обращения составляет 11ч 15,7 мин.

Рис. 2

Спутник ГЛОНАСС конструктивно состоит из цилиндрического гермоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств. Приборов системы ориентации. Панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для колибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности для спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли. Площадь уголковых отражателей 0,25 м2.

В состав бортовой аппаратуры входят:

    - навигационный комплекс; - комплекс управления; - система ориентации и стабилизации; - система коррекции; - система терморегулирования; - система электроснабжения.

Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входит: синхронизатор формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастей на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

Комплекс управления обеспечивает управление системами спутника и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля.

Командно-измерительная система обеспечивает измерение дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии. Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.

Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты - носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. В системе используется прибор на основе инфракрасного построения местной вертикали (для ориентации на центр Земли) и прибор для ориентации на Солнце.

Погрешность ориентации на центр Земли - не хуже 30, а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце - не более 50.

Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления ей.

Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 гр и двух двигателей коррекции с тягой 500гр.

Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника.

Регулирование тепла, отводимого от гермоконтейнера, осуществляется жалюзи, которые открывают или закрывают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа. Отвод тепла от приборов осуществляется циркулирующим газом с помощью вентилятора.

Система электроснабжения включает в себя солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей - 1600 Вт, площадь 17,5 м2.

При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей. Их разрядная емкость составляет 70 ампер/часов.

Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.

Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:

    - излучение высокостабильных радионавигационных сигналов; - прием, хранение и передача цифровой навигационной информации; - формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени; - ретрансляция или улучшение сигналов для проведения траекторных измерений доя контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени; - прием и обработка разовых команд; - прием, заполнение и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите; - формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления; - прием и выполнение кодов команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени; - форматирование и передача "признака неисправности" при выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.

Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м. Общая масса составляет 1415 кг.

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса "ПРОТОН" с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

Схема выведения включает

    - выведение космической головной части на промежуточную круговую орбиту с высотой ~200 км; - переход на эллиптическую орбиту с перигеем ~200 км апогеем ~19100 км и наклонением 64,80;

Точность приведения в рабочую точку орбиты

    - по периоду обращения - 0.5 с - по аргументу широты - 1 град - по эксцентриситету - ~ 0,01 - по наклонению орбиты - ~ 0,3 град.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту КА используются цезиевые стандарты частоты (атомные часы - 4 комплекта) с относительной нестабильностью порядка 10-13.

Спутники ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов:

    - навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц); - навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазоне 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 м/с (вероятность 99,7%); - точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7%).

Сигнал ВТ предназначен для потребителей Министерства Обороны Российской Федерации.

Каждый спутник ГЛОНАСС работает на своей выбранной частоте 1598,0625 - 1604,25 ГГц.

Рис. 3

Космический сегмент GPS

Он состоит из 26 спутников, (21 рабочий и 5 резервных, находящихся в горячем режиме) расположенных на круговых средних орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол 550 к плоскости экватора, они равномерно расположены на 6 орбитах и сдвинуты между собой на 600По долготе. Радиусы орбит составляют около 26 тыс. км, а период обращения составляет 11ч.45,8 мин.

Спутники GPS имеют тот же самый комплект оборудования и исполняют те же самые функции, что и спутники ГЛОНАСС. За исключением того, что передающая аппаратура всех спутников излучает навигационные сигналы только на двух частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц, но каждый спутник имеет свой отличительный код.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах.

Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (процедура называется фазовой модуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов С/А - кодом (код свободного доступа и Р - кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 Только Р - кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей

    - обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника потребителя; - создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами); - реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

Рис. 4

Код свободного доступа С/А (Coarse Acqvisition) имеет частоту следования импульсов 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек, поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код Р (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках.

Поскольку Р - код передается на двух частотах (L1 И L2), а C/R-код на одной (L1), в GPS - приемниках, работающих по Р - коду частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по Р - коду на порядок выше, чем по С/А-коду.

На борту каждого КА системы GPS так же как и на КА ГЛОНАСС имеется 4 стандарта частоты (4 комплекта "атомных" часов) - два цезиевых и два рубидиевых для целей резервирования.

Точность хода таких "атомных" часов составляет около одной наносекунды 10-2.

"Атомные" часы в системах ГЛОНАСС и GPS не используют атомную энергию. Они получили это название потому, что используют для измерения времени обращение электронов по орбите атома известного чистого вещества, как метроном.

Корректируются эти часы наземными станциями слежения.

Похожие статьи




Организационная структура СНС "ГЛОНАСС" и GPS - Спутниковые навигационные приемники

Предыдущая | Следующая