Реферат: Спутниковая система ГЛОНАСС

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

                                   (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 a называют минимально допустимой высотой.

Продолжительность сеанса связи с НС   (в пределах видимости НС) определяется разностью ( ) и зависит от угла b (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.

4.  Решение навигационной задачи

Основным содержанием навигационной задачи (НЗ) в СРНС является определение пространственно-временных координат потребителя, а также со­ставляющих его скорости, поэтому в результате решения навигаци­онной задачи должен быть определен расширенный вектор состояния потре­бителя П, который в инерциальной системе координат можно представить в виде . Элементами данного вектора служат пространствен­ные координаты (х, у, z) потребителя, временная поправка t' шкалы времени потребителя относительно системной ШВ, а также составляющие вектора ско­рости .

Элементы вектора потребителя недоступны непосредственному измере­нию с помощью радиосредств. У принятого радиосигнала могут измеряться те или другие его параметры, например задержка или доплеровское смещение частоты. Измеряемый в интересах навигации параметр радиосигнала называют радионавигационным (РНП), а соответствующий ему геометрический параметр — навигационным (НП), поэтому задержка сигнала t и его доплеровское смещение частоты  являются радионавигационными параметрами, а соот­ветствующие им дальность до объекта Д и радиальная скорость сближения объектов  служат навигационными параметрами. Связь между этими параметрами дается соотношениями:

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

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.

В настоящее время в системе ГЛОНАСС используется запросная технология эфемеридного обеспечения, когда исходной информацией для расчета эфемерид служат данные измеренных текущих параметров (ИТП) спутников, поступающие в ЦУС от контрольных станций по программам межмашинного обмена через вычислительную сеть. Ежесуточно осуществляется 10 ... 12 сеансов передачи информации по каждому спутнику.