Спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС (стр. 2 из 8)
Летные испытания системы ГЛОНАСС были начаты 12 октября 1982 г. запуском первого КА 11Ф654 "Ураган" N11л и двух габаритно-весовых макетов 11Ф654ГВМ. Затем в последующих шести запусках на орбиту выводились по два штатных КА и одному ГВМ. Это было связано с неготовностью электронной аппаратуры спутников. Лишь с восьмого запуска в рамках развертывания системы ГЛОНАСС (16 сентября 1986 г.) на орбиту были выведены сразу три штатных КА. Дважды (10 января и 31 мая 1989 г.) вместе с двумя КА "Ураган" на орбиту выводились пассивные геодезические КА ПКА "Эталон", используемые для уточнения параметров гравитационного поля и его влияния на орбиты КА "Ураган".
Для отработки навигационной аппаратуры были изготовлены базовые комплекты по шесть штук каждого наименования для ВВС, ВМФ, СВ, МГА, ММФ и РВСН. Всего для летных испытаний было выделено 22 космических аппарата (9-10 запусков). Это число КА было израсходовано к 16 сентября 1987 г. Однако к этому моменту система не была развернута даже для ограниченного использования (12 КА в двух плоскостях). Лишь после запуска 4 апреля 1991 г. в составе ГЛОНАСС оказалось одновременно 12 работоспособных КА.
24 сентября 1993 г. первая очередь системы ГЛОНАСС была принята на вооружение. С этого момента стали проводиться запуски КА в третью орбитальную плоскость. 14 декабря 1995 г. после 27-го запуска "Протона-К" с "Ураганами" развертывание штатной конфигурации системы ГЛОНАСС было завершено. Всего с октября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 КА "Ураган" и восемь его габаритно-весовых макетов (ГВМ). За время развертывания системы шесть "Ураганов" оказались на нерасчетных орбитах из-за отказов разгонного блока 11С861. По оценкам, проведенным в 1997 г., на развертывание системы было потрачено почти 2.5 млрд $.
Основные принципы работы системы ГЛОНАСС
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:
· горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
· вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
· составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
· точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.
Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.
Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Радионавигационное поле
Навигационные радиосигналы, излучаемые штатными НКА, образуют радионавигационное поле в околоземном пространстве.
В СРНС ГЛОНАСС каждый штатный НКА излучает навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц в сторону Земли с помощью передающих антенн, рабочая часть диаграммы направленности (ДН) которых имеет ширину 2 =38 и “освещает” диск Земли с избытком до высоты h0 над поверхностью.
Рабочую часть ДН можно представить в виде конусного радиолуча с углом 2 0 при вершине. Очевидно, что
sin 0=(h0+r)/(H+r),
где r = 6400 км радиус Земли; H = 19100 км высота орбиты НКА.
Подставив 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 h0 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 = Pп G( ) G0( ) 2/(4 R)2,
где Pп мощность излучения передатчика; G( ) коэффициент направленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении на приемную антенну; G0( ) коэффициент направленности “стандартной” приемной антенны в направлении на передающую антенну; длина волны несущего колебания радиосигнала; R 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( ) передающих антенн в рабочем секторе направлений 19 относительно оси антенны составляет
| , угл.град. | 0 | 15 | 19 |
| G( ),дБ (1600 МГц) | 10 | 12 | 8 |
| G( ),дБ (1250 МГц) | 9 | 11 | 9 |
В качестве “стандартной” приемной антенны удобно рассматривать изотропную приемную антенну с круговой поляризацией, G0( ) = 1.
Дальность R от приемной антенны, размещенной на поверхности Земли, до околозенитного ( = 90 ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного ( =5 ) НКА составит R = 24000 км.
Бюджет мощности P0 узкополосных навигационных радиосигналов на выходе “стандартной” приемной антенны:
| 1600 МГц | 1250 МГц | |||
| , угл. град. | 90 | 5 | 90 | 5 |
| Pп, дБ Вт | | | ||
| G( ), дБ | +10 | +12 | +9 | +11 |
| ( R)2, дБ | 182 | 184 | 180 | 182 |
| G0( ), дБ | 0 | 0 | ||
| P0, дБ | 157 1 | 157 1 | 162 1 | 162 1 |
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).