Спутниковая система ГЛОНАСС (стр. 3 из 5)

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 .