Спутниковые системы навигации GPS и Глонасс

На первом этапе (до 1998 г.) в радиоастрономической полосе практически нет спектров узкополосных навигационных радиосигналов 1600 МГц, а к 2005 г. из радиоастрономической полосы будут выведены и спектры широкополосных навигационных радиосигналов. Третий этап будет реализован за счет применения НКА второй модификации, в которой передатчики навигационных радиосигналов могут излучать навигационные радиосигналы на любой паре переключаемых несущих частот с номерами k=-7,0,...+12.

В системе НАВСТАР  используются непрерывные шумоподобные навигационные радиосигналы на двух несущих частотах (верхней и нижней)

¦ _в=1575,42 МГц;¦ _н=1227,6 МГц,

и применяется  кодовое разделение навигационных радиосигналов для 24 штатных НКА.

Навигационный радиосигнал на верхней несущей  частоте ¦ _в ¾ двухкомпонентный, он содержит два фазоманипулированных шумоподобных навигационных радиосигнала в квадратуре (сдвиг по фазе на ± 90° ): узкополосный и широкополосный.

Узкополосный  навигационный радиосигнал ¦ _в образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической ПСП1 с тактовой частотой F₁ = 1,023 МГц и с периодом повторения T₁ = 1 мс. Двоичные символы ЦИ длительностью 20 мс передаются инвертированием ПСП1.

Широкополосный  навигационный радиосигнал ¦ _в образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической ПСП2 с тактовой частотой F₂ = 10,23 МГц. Двоичные символы ЦИ длительностью символов 20 мс передаются инвертированием ПСП2.

Навигационный радиосигнал ¦ _{н ¾} однокомпонентный, широкополосный, образован посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической ПСП2 без инвертирования.

Широкополосные  навигационные радиосигналы в системах НАВСТАР и ГЛОНАСС предназначены для использования санкционированными потребителями и имеют защиту от несанкционированного использования.

Узкополосные  навигационные радиосигналы в системах НАВСТАР и ГЛОНАСС являются открытыми  и предназначены для гражданских потребителей. Но в системе НАВСТАР эти сигналы искусственно искажаются с помощью процедуры селективного доступа, который ухудшает точность навигации для нелицензионных потребителей.

Точность  глобальной навигации  наземных подвижных  объектов  

Проведем оценку точности определения координат наземного подвижного объекта при глобальной оперативной навигации с помощью многоканальной НАП, использующей узкополосные навигационные радиосигналы с частотой 1600 МГц в системе ГЛОНАСС с полной ОГ штатных НКА.

Погрешность определения координат подвижного объекта зависит от геометрических факторов используемого в сеансе навигации созвездия радиовидимых НКА и обусловлены погрешностями ЭИ и ЧВП в кадрах ЦИ, принимаемых от НКА, и погрешностями измерений в НАП псевдодальностей до НКА.

При оценке точности координат подвижного объекта погрешности  ЭИ и ЧВП можно пересчитать  в эквивалентные погрешности  псевдодальностей до НКА.

Погрешности координат  НКА, пересчитанные в эквивалентные  погрешности псевдодальности, есть проекции погрешностей координат НКА на направление от НКА до объекта. Обозначим: d H , d M  ¾  погрешности координат НКА в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Из простых геометрических построений можно получить следующие формулы для пересчета погрешностей координат НКА в эквивалентные погрешности псевдодальностей (дальностей) от объекта до НКА:

1. для околозенитных НКА

S₁ = d H₁ при b 1  =  9 0 ° ;

S₁ = d H₁ +0,15d M₁ при b 1  =  45° ;

2. для пригоризонтного НКА

d S₂ = d H₂ +0,25d M₂ при b ₂ =  0.

Погрешности ЭИ при прогнозе на сутки для НКА первой модификации (см. выше) в среднем составляют s (H) = 4 м, s (L) = 15 м, и, следовательно, эквивалентные погрешности псевдодальностей составят:

s (S₁) = 4,0...4,6 м и s (S₂) = 5,5 м.

Погрешность ЧВП  при прогнозе на 12 ч для НКА первой модификации составляет s ( t _Б)  = 14 нс и, соответственно, эквивалентная погрешность псевдодальности равна s ( S) = 4,2 м.

При использовании  узкополосных навигационных радиосигналов  погрешности измерений псевдодальности  для околозенитного s ( S₁) и пригоризонтного s ( S₂) НКА приведены выше.

Составим суммарный  бюджет погрешностей псевдодальностей без ионосферы (который будем  называть инструментальной погрешностью псевдодальности) для многоканальной НАП, использующей узкополосные однодиапазонные (1600 МГц) навигационные радиосигналы (T₀ = 1 с):

 В шестиканальной НАП на наземном подвижном объекте максимальные (0,95) инструментальные погрешности определения местоположения объекта в горизонтальной p и вертикальной z плоскостях связаны с инструментальными погрешностями псевдодальности до “высокого” (околозенитного) НКА s (S₁) и до “низкого” (пригоризонтного) НКА s (S₂) следующим образом (см. выше):

в лучших ситуациях d  p = 2,0 s (S₂); d  z = 2,0 s (a);

в худших ситуациях d  p = 2,2 s (S₂); d  z = 2,2 s (a), 

где

s (a) = [4s ²(S₁)+2s ²(S₂)]^1/2.

Используя эти  формулы и полученные выше значения инструментальных погрешностей псевдодальностей , найдем оценки максимальных инструментальных погрешностей определения местоположения наземных динамичных (T₀=1 с) объектов при использовании узкополосных навигационных радиосигналов в однодиапазонной шестиканальной НАП (1600 МГц):

1. в лучших ситуациях s (S₁) = 6,2 м; s (S₁) = 7,7 м и соответственно d p = 15,4 м; d z = 34 м;
2. в худших ситуациях s (S₁) = 6,6 м; s (S₁) = 9,6 м и соответственно d p = 21 м; d z = 42 м.

Строгая оценка вклада ионосферных погрешностей определения координат наземного объекта при применении однодиапазонной НАП является достаточно сложной задачей, дадим приблизительный анализ.

В предыдущем разделе  были оценены ионосферные погрешности  измерения псевдодальностей в однодиапазонной НАП. Было показано, что ионосферная погрешность псевдодальности (дальности) до пригоризонтного НКА (b =5° . . . 10° ) равна d  R₂=3d  R₁, где d  R₁ ¾  ионосферная погрешность дальности при вертикальном радиолуче. Ионосферные погрешности псевдодальностей в сеансе зависят от времени проведения сеанса: минимальны ночью, максимальны днем.

Пусть наземный объект находится под пересечением двух орбитальных колец , и в сеансе навигации используются шесть НКА: два околозенитных и четыре пригоризонтных . Очевидно, что если сеанс навигации проводится в околополуденное время, то ионосферные погрешности псевдодальностей для пригоризонтных НКА будут мало отличаться друг от друга и соответственно четыре разности между псевдодальностью до пригоризонтного и до зенитного НКА будут приблизительно одинаковы d D = d R₂-d R₁=2d R₁. В этой ситуации ионосферные погрешности определения координат наземного объекта в сеансе навигации в околополуденное время можно оценить как

d  z=2d  D=4d  R₁; d  x,d  y=± 0,5d  D=± d  R₁.

Если сеанс  навигации проводится в утреннее или вечернее время, то ионосферные  погрешности псевдодальностей до пригоризонтных НКА будут сильно отличаться , и  для таких сеансов навигации  ионосферные погрешности определения  координат можно приблизительно оценить как: d  x,d  y,d  z = ± 2d  R₁, где d  R₁ ¾ ионосферная погрешность псевдодальности до зенитного НКА в дневное время.

Если наземный объект равноудален от трех орбитальных  колец, то в сеансе навигации нет  околозенитного НКА, и “высокие”  НКА имеют углы возвышения b ₁ = 41° ... 45° . Ионосферные погрешности определения координат наземного объекта в таком сеансе навигации будут не больше, чем в сеансе, в котором имеется околозенитный НКА.

Таким образом, в сеансах навигации наземных объектов при использовании шестиканальной однодиапазонной НАП максимальные ионосферные погрешности определения координат объекта можно оценить следующим образом: