Спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС (стр. 3 из 8)
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 tk;
· эфемеридную информацию 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 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 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 Sk(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 :
Sk(t)=Rk(t)+c (t)+c k(t)+ Sk(t),
где Rk(t) дальность от объекта до НКА; с скорость света; (t) сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; k(t) погрешность ЧВП; Sk(t) погрешность измерений в НАП.
В двухдиапазонной НАП навигационные измерения псевдодальностей на двух несущих частотах в 1600 МГц и н 1250 МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом. Обозначим S0(t) измеренная псевдодальность без ионосферных погрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов
Sв(t)=S0(t)+А/
; Sн(t)= S0(t)+А/ 
,где А/ 2 ионосферная погрешность измерения псевдодальности, то алгоритм получения объединенного результата S0(t), в котором исключены ионосферные погрешности будет следующим:
S0(t)=
Sв(t)- 
Sн(t); m= н / в=7/9.Погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:
S0 =
Sв - Sн = 2,53 Sв - 1,53 Sн .В сеансе навигации результаты измерений в НАП псевдодальностей относительно не менее четырех НКА, выбранных для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных НКА позволяют определить три координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала) относительно ШВ системы.
Задача настоящего раздела оценить погрешность измерения псевдодальностей в многоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов. Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальной НАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера (в однодиапазонной НАП).
При оценке погрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входе приемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1 применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейного участка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.
Шумовую погрешность (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можно оценить следующим образом:
(S) =
,где c скорость света; F1 тактовая частота ПСП1; Pc /gш энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала на входе приемника; k ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k 1,5); T0 интервал осреднения (накопления) измерений.
Энергетические потенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП с широконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]:
| =90 | =5 | |
| 1600 МГц | +47...49 | +39...44 |
| 1250 МГц | +43...45 | +34...39 |
и соответственно шумовые погрешности однодиапазонных измерений при осреднении T0 = 1с составят [м]:
| | | |
| (Sв) 1600 МГц | 1,7...2,1 | 3,3...6,0 |
| (Sн) 1250 МГц | 3,0...4,0 | 5,9...10,5 |
Шумовую погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности найдем следующим образом:
(S0)={[2,53 (Sв)]2+[1,53 (Sн)]2}1/2 ;
и соответственно получим при T0=1c
(S0)=
Навигационный радиосигнал от пригоризонтного НКА может приходить к наземному подвижному объекту не только прямым путем но и за счет зеркального отражения от земной поверхности (многолучевость). Отраженный радиосигнал приходит к объекту с направления ниже местного горизонта, и при зеркальном отражении изменяется на противоположное направление круговой поляризации радиосигнала. С учетом данного обстоятельства и за счет пространственной избирательности приемной антенны мощность отраженного радиосигнала Pc2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала Pc1 на входе приемника.
Погрешность измерения псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленная многолучевостью при использовании узкополосного навигационного радиосигнала, будет максимальна в худшей ситуации, когда задержка t отраженного радиосигнала относительно прямого радиосигнала на входе приемника будет равна t=1/2F1, где F1 тактовая частота ПСП1. При t 1/2F1, и при t 3/2F1 погрешность будет много меньше, чем в худшей ситуации. При T0=1 c погрешность псевдодальности до пригоризонтного НКА из-за многолучевости в худшей ситуации для узкополосных навигационных радиосигналов будет равна
(S)=
.Подставляя Pc2/Pc1= - (30...32) дБ, получим (S)= 3,0 м, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Следовательно, при двухдиапазонных измерениях (1600 МГц, 1250 МГц) и T0 =1 c получим:
(S0)=
(S)=9,0м.В тропосфере скорость распространения радиоволны равна c=c0/n(h), где с0 скорость распространения света в вакууме; n(h) коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h) .
Тропосферную погрешность беззапросного измерения дальности (псевдодальности) для НКА при углах возвышения НКА можно найти следующим образом:
R( )=
В НАП тропосферные погрешности компенсируются расчетными поправками. Если рассчитывать тропосферные поправки для средних параметров тропосферы (глобально), то их погрешность ( R) составит 10% от величины поправки R( ).
Для оценки погрешностей можно воспользоваться простой экспоненциальной моделью тропосферы:
n(h) = n(0) e-h/а;