Спутниковые системы навигации GPS и Глонасс

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

sinj ₀=(h₀+r)/(H+r),

где r = 6400 км ¾ радиус Земли; H = 19100 км ¾ высота орбиты НКА.

Подставив j ₀=19° , получим h₀ = 2000 км.

При полной ОГ (24 штатных НКА) радионавигационное поле на высотах h £ h₀ = 2000 км 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 h_{0 <} 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 околозенитного и пригоризонтного НКА на выходе “стандартной” приемной антенны (без учета отражений от поверхности Земли):

P₀ = P_п G(j ) G₀(b ) l ²/(4p R)²,

где P_{п ¾} мощность излучения передатчика; G(j ) ¾ коэффициент направленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении j на приемную антенну; G₀(b ) ¾ коэффициент направленности “стандартной” приемной антенны в направлении b на передающую антенну; l ¾ длина волны несущего колебания радиосигнала; R ¾  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(j ) передающих антенн в рабочем секторе направлений j £ 19° относительно оси антенны составляет

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

Дальность R от приемной антенны, размещенной на поверхности  Земли, до околозенитного (b  = 90° ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного (b =5° ) НКА составит R = 24000 км.

Бюджет мощности P₀ узкополосных навигационных радиосигналов на выходе “стандартной” приемной антенны:

Отметим, что  мощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземным потребителем с помощью изотропной антенны, одинакова для околозенитного и пригоризонтного НКА. 
 
 

Структура сигнала ГЛОНАСС

• грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);
• последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 6а);
• меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 6б).

  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 t_k;
• эфемеридную информацию ¾ 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 t₀.

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 c, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр ¾ 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)

Навигационные измерения в многоканальной НАП  

Рассмотрим многоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначенную для глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемная антенна.

В каждом канале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналом принимается  ЦИ и ежесекундно измеряются два навигационных параметра ¾  псевдодальность и радиальная псевдоскорость.

Псевдодальность от объекта до НКА измеряется в  НАП посредством измерения сдвига принимаемой ПСП1 относительно опорного сигнала в НАП. Радиальная псевдоскорость объекта относительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частоты принимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигнала в НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.

Результаты измерений  псевдодальностей S_k(t) не менее, чем для четырех выбранных НКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можно выразить следующим образом : 

S_k(t)=R_k(t)+ct 0(t)+cd t _k(t)+d S_k(t), 

где R_k(t) ¾ дальность от объекта до НКА; с ¾ скорость света; t 0 (t) ¾ сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; d t _k(t) ¾  погрешность ЧВП; d S_k(t) ¾  погрешность измерений в НАП.