Структура спутниковых радионавигационных систем

       космических аппаратов (ПКА), 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 (приемоиндикаторы (ПИ) или сег­мент потребителей). Разнообразие видов приемоиндикаторов СРНС обеспечи­вает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в преде­лах ближнего космоса) потребителей.

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потреби­телей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту опе­рацию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непо­средственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребите­лей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигна­лам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известны­ми координатами.

Выбор концепции независимой навигации и использование беззапрос­ных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропу­скной способности СРНС. По сравнению с зависимой навигацией, не преду­сматривающей процедуры вычислений ПВК в ПИ СРНС, произошло усложне­ние аппаратуры потребителей. Однако современные достижения в области технологий сделали возможной реализацию таких подходов при решении про­блемы навигационных определений в СРНС.

Высокая точность определения местоположения потребителей обуслов­лена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и пара­метры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспе­чивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.

В настоящее время считается целесообразным введение в состав СРНС региональных дополнительных систем, обеспечивающих реализацию наиболее строгих требований потребителей. Эти структуры позволяют существенно повысить точность обсерваций, обнаруживать и идентифицировать нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функциониро­вания и своевременно предупреждать об этом потребителей, т. е. они могут осуществлять контроль целостности системы и поддерживать режим диффе­ренциальных измерений.

2.1. Подсистема космических аппаратов

Подсистема космических аппаратов СРНС состоит из определенного числа навигационных спутников. Основные функции НС — формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений по­требителей СРНС, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС. С этой целью в состав аппаратуры НС обычно включают:

радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ), сол­нечные батареи и т. д. Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают практически синхронное излучение навигационных сигналов всеми спутника­ми, что необходимо для реализации режима пассивных дальномерных измере­ний в аппаратуре потребителей.

Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используют для определения в аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров (дальности, ее производных, ПВК и т. д.), вторые — для передачи потребителям координат спутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготовлена в наземном командно-измерительном ком­плексе и передана по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.

Дальномерные компоненты навигационных сигналов содержат две со­ставляющие, отличающиеся обеспечиваемой ими точностью навигационных определений (стандартной и более высокой). В аппаратуре гражданских потре­бителей обрабатывается сигнал стандартной точности. Для использования сиг­нала высокой точности требуется санкция военных органов.

Выбор состава и конфигурации орбитальной группировки НС может обеспечить заданную рабочую зону, возможность реализации различных мето­дов навигационно-временных определений (НВО), непрерывность и точность НВО, диапазон изменения параметров радиосигналов НС и т. д. Например, увеличение высоты полета НС современных средневысотных СРНС до при­мерно 20 000 км позволяет принимать сигналы каждого НС на значительных территориях (приблизительно на половине поверхности Земли). И тогда не­сколько НС, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и авиационного потребителя, радиона­вигационное поле (глобальную рабочую зону).

Соответствующие характеристики сигналов НС и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью.

В современных СРНС типа ГЛОНАСС и GPS большое внимание уделя­ется взаимной синхронизации НС по орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило применение к ним термина "сетевые СРНС".

2.2. Наземный командно-измерительный комплекс

Подсистема контроля и управления представляет собой комплекс назем­ных средств (командно-измерительный комплекс — КИК), которые обеспечи­вают наблюдение и контроль за траекториями движения НС, качеством функ­ционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передавае­мой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шка­лы времени и др.

Обычно КИК состоит из координационно-вычислительного центра, (КВЦ), станций траекторных измерений и управления (СТИ), системной (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ).                      

Периодически при полете НС в зоне видимости СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные вкладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помо­щью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, который используется, в частности, в процессе юстировки бортовых эталонов времени и частоты навигационных спутников СРНС.

2.3. Навигационная аппаратура потребителей СРНС

Приемоиндикаторы СРНС, состоящие из радиоприемника и вычислите­ля, предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутни­ков с целью определения необходимой потребителям информации (прост­ранственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т. п.).

Пространственное положение потребителя обычно определяется в приемоиндикаторе в два этапа: сначала определяются текущие координаты спутни­ков и первичные навигационные параметры (дальность, ее производные и др.) относительно соответствующих НС, а затем рассчитываются вторичные — географическая широта, долгота, высота потребителя и т. д.

Сравнение текущих координат потребителей с координатами выбранных навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяет сформиро­вать в ПИ сигналы для управления различными транспортными средствами. Вектор скорости потребителя вычисляют путем обработки результатов измере­ний доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скорости спутника. Для нахождения пространственной ориентации потребите­ля в приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с ис­пользованием специальных антенных решеток.

2.4. Взаимодействие подсистем СРНС в процессе определения текущих координат спутников

Способ функционирования современных СРНС позволяет отнести их к радиомаячным навигационным средствам. Однако необходимость постоянного определения текущих координат НС и выбора из них видимых потребителю НС и рабочего созвездия исправных НС существенно отличает СРНС от тра­диционных радиомаячных РНС (РСБН, РСДН), в которых координаты радио­маяков известны и постоянны. Непрерывное нахождение текущих координат НС, движущихся с большими изменяющимися но времени скоростями, пред­ставляет собой сложную задачу.

Координаты НС могут быть определены в общем случае на КИК или не­посредственно на спутнике (самоопределяющиеся НС). В настоящее вре­мя отдается предпочтение первому подходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой про­блемы в наземных условиях. В современных СРНС управление НС осуществ­ляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается по­стоянное взаимодействие КИК и сети НС. В связи с этим выделяют два этапа решения этой задачи. На первом этапе в аппаратуре КИК измеряют ко­ординаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляют па­раметры их орбит. Эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моменты времени, например на середину каждого получасового интервала предстоящих суток, до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные координаты НС и их производные (эфемериды) передаются на НС, а затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, потребителям. На втором этапе в аппаратуре потребителя по этим данным осуществляется последующее прогнозирование координат НС, т. е., вычисляются текущие координаты НС в интервалах между опорными точ­ками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования коор­динат проводят при известных закономерностях движения НС.

В отличие от самоопределяющихся НС, рассмотренный вариант функционирования СРНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры КИК с целью достижения заданной надежности.

Заметим, что в навигационное сообщение НС КИК, кроме того, закла­дывает альманах  — набор справочных сведений о всей сети НС, в том числе загрубленные эфемериды НС, которые обычно используются для опреде­ления видимых потребителю НС и выбора рабочего созвездия, обеспечиваю­щего высокое качество НВО. Темп обновления точной эфемеридной инфор­мации (ЭИ) значительно выше, поэтому ее часто называют оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.

3. Основные навигационные характеристики НС

К основным навигационным характеристикам НС относят зону обзора, зону видимости, продолжительность наблюдения, орбитальную конфигурацию сети НС и др. На чертеже (рис. 2) поясняются основные определения.

Зона обзора НС представляет собой участок земной поверхности, на ко­тором можно осуществлять наблюдение за НС, прием его сигналов. Центром зоны обзора является подспутниковая точка О3, называемая географическим местом спутника (ГМС).

Координаты ГМС (географические широта и долгота) могут быть рассчи­таны по формулам:

где — орбитальные элементы НС; — гринвичское звездное время;

— угловая скорость прецессии узла орбиты. Зона обзора ограничена линией истинного горизонта в точке НС, поэтому ее размер зависит от высоты НС (). Размер зоны обзора ха­рактеризуется углом или соответствующей ему дугой АО3, кото­рая называется радиусом зоны обзора [км]. Из рис. 2 видно, что

19

                                   (1)

Бортовые     приемоиндикаторы СРНС обеспечивают заданную точность измерений в зоне обзора, ограниченной радиогоризонтом, который поднят для пользователя на угол 5 ... 10 (угол маски). В этом случае зона              обзора              оп­ределяется углом , где

                               (2)

Площадь зоны обзора . Тогда относительная пло­щадь обзора , где - площадь земного шара.

При увеличении высоты НС до 40 000 км радиус зоны обзора из­меняется незначительно ( 9 400 км), а затраты на формирование такой орбиты возрастают существенно.

Рассмотренная выше зона обзора соответствует фиксированному моменту времени (мгновенная зона обзора).

У нестационарных НС мгновенная зона обзора, перемещаясь по поверхности Земли, образует зону обзора в виде полосы шириной . Ее осью является совокупность ГМС - трасса НС.

Установим условия видимости НС для наблюдателя, расположенного в точке ,  лежащей на трассе НС (рис. 3). Область небосвода СС’, в которой

НС наблюдается из точки ; от момента восхода над горизонтом до момента захода     называют  зоной видимости (геометрической зоной видимости), для ко­торой справедливы соотношения (1), (2). Из рис. 3 видно, что максимальный угловой радиус зоны видимости (дуга А'С')

С учетом радиогоризонта угловой радиус зоны обзора уменьшается . Здесь угол  называют минимально допустимой высотой.

Продолжительность сеанса связи с НС  (в пределах видимости НС) определяется разностью ( ) и зависит от угла  (т. е. от высоты полета НС или периода его обращения Т).

      Для круговой орбиты , где — угловая ско­рость обращения спутника.

Для СРНС ГЛОНАСС км, % при км, ;  300 мин.

Очевидно, что если потребитель находится в стороне от трассы НС, то продолжительность наблюдения спутника уменьшается.

Навигационные алгоритмы, реализованные в бортовых приемоиндикаторах современных СРНС, обычно ориентированы на прием сигналов от не­скольких НС одновременно. Наблюдение в любой точке рабочей зоны СРНС одновременно нескольких НС обеспечивается путем оптимального выбора стабильной пространственно-временной структуры (конфигурации) сети НС — числа, ориентации и формы орбит; числа НС на каждой из них; взаимного расположения орбит и спутников на них. Обычно число НС в сети превышает минимально необходимое за счет резервных НС.