Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы

де с — скорость света; l — длина волны излучаемого НС сигнала.

Геометрическое место  точек пространства с одинаковым значением навигационного параметра называют поверхностью положения. Пересечение двух поверхностей положения определяет линию положения — геометрическое место точек пространства, имеющих два определенных значения двух навигационных параметров. Местоположение определяется координатами точки пересечения трех поверхностей положения или двух линий положения. В ряде случаев (из-за нелинейности) две линии положения могут пересекаться в двух точках. При этом однозначно найти местоположение можно, только используя дополнительную поверхность положения или иную информацию о местоположении объекта.

Для решения навигационной  задачи, т. с. для нахождения вектора  потребителя П, используют функциональную связь между навигационными параметрами и компонентами вектора потребителя. Соответствующие функциональные зависимости принято называть навигационными функциями. Конкретный вид навигационных функций обусловлен многими факторами: видом НП, характером движения НС и потребителя, выбранной системой координат и т.д.

Навигационные функции для пространственных координат потребителя можно  определить с помощью различных  разновидностей дальномерных, разностно-дальномерных, угломерных методов и их комбинаций. Для получения навигационных  функций, включающих составляющие вектора скорости потребителя, используют радиально-скоростные методы.

 

 

 

5. СРНС ГЛОНАСС

 

          5.1. Структура и основные характеристики

         Отечественная  сетевая среднеорбитальная СРНС  ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

• подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;
• подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов контроля и управления;
• аппаратуры потребителей (АП).

Навигационные определения  в ГЛОНАСС осуществляются на основе опросных измерений в аппаратуре потребителей псевдодальности и  радиальной псевдоскорости до четырех  спутников (или трех спутников при  использовании дополнительной информации) ГЛОНАСС, а также с учетом принятыx навигационных сообщений этих спутников. В навигационных сообщениях, передаваемых с помощью спутниковых радиосигналов, содержится информация о различных параметрах, в том числе и необходимые сведения о положении и движении спутников в соответствующие моменты времени. В результате обработки этих данных в АП ГЛОНАСС обычно определяются три (две) координаты потребителя, величина и направление вектора его земной (путевой) скорости, текущее время (местное или в шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) или, по другому, UТC(ГЭВЧ) (ГЭВЧ — Государственный эталон времени и частоты). Основные характеристики СРНС ГЛОНАСС приведены в табл. 1 — 2, где для сравнения приведены сведения об американской срсдневысотной СРНС GPS. В табл. 1 приведены общесистемные характеристики СРНС ГЛОНАСС. В табл. 2 приведены как стандартные значения характеристик СРНС, так и их оценки на основе данных, полученных в 1993—1995 гг. Последние показаны в скобках, причем для С/А-кода, кода стандартной точности) значения приводятся для вариантов работы с А/без SA (SA — Selective Availability — селективный доступ) ).   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Системные характеристики СРНС ГЛОНАСС

Параметр, способ	ГЛОНАСС	GPS
Число НС (резерв)	24 (3)	24 (3)
Число орбитальных плоскостей	3	6
Число НС в орбитальной  плоскости	8	4
Тип орбит	Круговая  (е =0±0,01)	Круговая
Высота орбит, км	19100	20145
Наклонение орбит, 1рад	64,8±0,3	55 (63)
Драконический период обращения  НС	11ч 15 мин 44 с ±5  с	11 ч 56,9 мин
Способ разделения сигналов НС	Частотный	Кодовый
Несущие частоты навигационных  радиосигналов МГц:
L1	1602,5625...1615,5	1575.42
L2	1246,4375...1256,5	1227,6 !
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код)
(дальномерного кода  или его сегмента)		7 дн (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц	0,511	1,023 (С/А-код)
		10,23 (P,Y-код)
Скорость передачи цифровой информации
(соответственно СИ- и D- код), бит/с	50	50
Длительность суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в суперкадре	5	25 ;
Число строк в кадре	15	5
Система отсчетов времени	UTC(SU)	UTC(USNO) .
Система отсчета пространственных
координат	ПЗ-90	WGC-84
Тип эфемерид	Геоцентрические	Модифициро-
	координаты и их	ванные кепле-
	производные	ровы элементы

 

Таблица 2. Точностные характеристики СРНС
		Параметр		Точность измерений
				GPS (P=0,95)		ГЛОНАСС (P=0,997)
	Горизонтальная плоскость, м		100 (72/18) 300 (Р=0.9999) 18		(С/А-код) (С/А-код) (Р-, Y-код!		60 (СТ-код) (39)
	Вертикальная плоскость, м		156 28	(135/34)	(С/А-кол) (Р-, Y-код)		75 (СТ-код) (67,5)
	Скорость, см/с		< 200 20		(С/А-код ) (Р-. Y-код)		15 (С'1-код)
	Ускорение, мм/с2		8 <19		(С/А-код) (С/А-код )		—
	Время, мкс		0,34 0,18  код)		(С/А-код ) (Р-, Y-		1 (CI-код)

 

5.2. Назначение  и состав подсистемы контроля  и управления

Наземный сегмент системы  ГЛОНАСС — подсистема контроля и  упрощения (ПКУ), предназначена для  контроля правильности функционирования правления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС); система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура контроля поля (АКП).

Наземный сегмент выполняет  следующие функции:

• проведение траекторных измерений для определения и прогнозировании непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;
• временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизации спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;
• формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой  шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;
• передача (закладка) массива служебной информации в память ЭВМ каждого спутника и контроль за его прохождением;
• контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния;
• контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ;
• управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;
• определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

планирование работы всех технических  средств ПКУ, автоматизированная обработка  и передача данных между элементами ПКУ.

В автоматизированном режиме решаются практически все основные задачи управления НС и контроля навигационного поля.

   

     5.2.1 Центр управления системой

 

     Центр управления  системой соединен каналами автоматизированной и неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании принятого для ГЛОНАСС ежесуточною режима управления спутниками в рамках технологического цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает данные для прогноза эфемерид и частотно-временных оправок, осуществляет с помощью, так называемого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик системы, анализ баллистической и структуры и расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

Информацию, необходимую  для запуска спутников, расчета  параметров орбитального движения, управления ими в полете, ЦУС получает от системы единого времени и эталонных частот, системы определения параметров вращения Земли, системы мониторинга гелио- и геофизизической обстановки.

Центральный синхронизатор, взаимодействуя с ЦУС, формирует  шкалу времени ГЛОНАСС, которая используется для синхронизации процессов и теме, например, в системе контроля фаз. Он включает в свой состав группу однородных стандартов.

5.2.2. Контрольные  станции

Контрольные станции (станции  управления, измерения и кон ля или наземные измерительные пункты) по принятой схеме радиоконтроля орбит осуществляют сеансы траёкторных и временных измерений, необходимых для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем спутников. С их помощью происходит закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и оперативных команд для управления новыми системами.

Траекторные измерения  осуществляются с помощью радиолокационных станций, которые определяют запросным  способом дальность до спутников  и начальную скорость. Дальномерный канал характеризуется максимальной ошибкой около 2 ... 3 м. Процесс измерения дальности до спутника совмещают по времени с процессом закладки массивов служебной информации, временных программ и команд управления, со съемом телеметрических данных спутника.

Для эфемеридного обеспечения  с КС в ЦУС ежесуточно выдается по каждому спутнику по 10 ... 12 наборов (сеансов) измеренных текущих навигационных параметров объемом примерно 1 Кбайт каждый.

В настоящее время  для обеспечения работ ГЛОНАСС  могут использоваться КС, рассредоточенные по всей территории России. Часть КС других элементов наземного сегмента ГЛОНАСС осталась вне территории России (в странах СНГ) и может быть использована лишь при наличии соответствующих договоренностей. Размещение сети КС выбрано с учетом существующей инфраструктуры управления НС и из условий надежного решения задач траекторных измерений для всей орбитальной группировки.

Такая сеть КС обеспечивает закладку на спутники системы 1 раз/сут  высокоточных эфемерид и временных поправок (возможна закладка 2 раз/сут).

В случае выхода из строя одной из станций возможна ее равноценная замена другой, так как сеть КС обладает достаточной избыточностью и в наихудшей ситуации работу системы может обеспечивать ЦУС и одна станция, однако интенсивность ее работы будет очень высокой.

При планировании работы КС на сутки определяются основные и резервные станции для проведения сеансов измерений с необходимой избыточностью. Контрольные станции имеют тройное резервирование по аппаратуре (один комплект рабочий, второй — в резерве, третий — профилактические работы). Коэффициент готовности средств ПКУ в сеансе измерений и закладки информации на борт спутника близок к единице.

Описанная сеть КС отличается от аналогичной структуры СРНС GPS тем, что обеспечивает высокое качество управления орбитальной группировкой только с национальной территории. КС ГЛОНАСС могут использоваться для обеспечения функционирования других космических средств.

5.2.3. Эфемеридное  обеспечение

Эфемеридное обеспечение  поддерживается комплексом технических  и программных средств, выполняющих радиоконтроль орбит спутников с нескольких наземных КС, обработку результатов траекторных измерений и рас эфемеридной информации (ЭИ), передаваемой далее с помощью загрузочных станций на спутник.

Высокая точность расчета эфемерид обеспечивается соответствующей точностью измерительных средств, внесением поправок на выявленные методических траекторных измерений, но и накапливаемых за недельный срок. При этом дальномерные данные, получаемые от станций слежения за спутниками, периодически калибруются, что обеспечивает высокое качество траекторных измерений в системе ГЛОНАСС.

   Предполагается, что такие традиционные методы  управления будут использоваться до 2000 г. В дальнейшем будет осуществляться переход на новые технологии, включающие межспутниковые угломерно-дальномерные измерения, что обеспечит качественный скачок в координатно-временном обеспечении потребителей.

          5.2.4. Особенности  формирования эфемеридной информации  в ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС создавалась  в условиях, когда уровень фундаментальных исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики не обеспечивал требуемую точность эфемеридного обеспечения системы. В этих условиях был проведен комплекс работ по обоснованию путей решения этой проблемы через построение согласующих моделей движения спутников, параметры которых определяют в процессе решения самой задачи баллистико-навигационного обеспечения системы.

Исследования показали, что необходимо отказаться от типовых  остро-резонансных (например, с периодом обращения спутника равным 12 ч, как в СРНС GPS, когда период вращения Земли вокруг своей оси равен двум периодам обращения спутника) орбит спутников, так как в процессе моделирования уравнений траекторного движения спутников это повышает устойчивость их решений и ослабляет корреляции между параметрами отдельных уравнений (моделирующих, например, изменение геопотенциала, координат измерительных средств, радиационного давления). Кроме того, оказалось, что наивысшая точность баллистико-эфемеридного обеспечения системы при решении многомерной навигационной задачи с расширенным вектором состояния обеспечивается при обработке измеренных текущих навигационных параметров на интервале 8 сут. Переход от острорезонансных орбит был осуществлен путем „увеличения числа витков спутника (по сравнению с GPS) на интервале 8 сут до 16 ... 17. Число спутников в системе выбрано равным 24 с равномерным распределением по трем орбитальным плоскостям. Все спутники системы фазируются таким образом, что на больших временных интервалах они имеют один след на поверхности Земли. Это обеспечивает высокую баллистическую устойчивость системы и относительно высокую точность и простоту расчетов траекторий. Опыт эксплуатации системы показал, что при обеспечении начального периода обращения спутника с точностью не хуже 0,1 с на протяжении заданного срока активного существования спутника его положение в системе корректировать не нужно.