Спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС (стр. 4 из 8)
и, подставив средние значения n(0)=3 10-4, a=8 км, получим:
| , угл.град.......................... | 90 | 10 | 5 |
| R( ), м............................. | 2,5 | 15 | 30 |
| ( R), м............................. | 0,25 | 1,5 | 3,0 |
Проведем оценку ионосферных погрешностей измерения псевдодальности в однодиапазонной НАП (1600 МГц). Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах от 300 до 400 электронная концентрация в ионосфере максимальна и выше с увеличением высоты уменьшается приблизительно экспоненциально и на высоте 900 км электронная концентрация в ионосфере составляет приблизительно 10% от максимальной.
Групповая скорость радиосигнала в ионосфере равна с = с0n(h), где с0 скорость света в вакууме, n(h) коэффициент преломления ионосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)<1. Коэффициент преломления в ионосфере n(h) зависит от частоты радиосигнала и для частоты радиосигнала f >100 МГц можно воспользоваться равенством:
n(h) = 1-n(h) = 40,3 N(h) / f 2,
где N(h) электронная концентрация ионосферы на высоте h [эл/см3]; f-несущая частота радиосигнала [кГц].
Проведем оценку ионосферных погрешностей беззапросного измерения дальности (псевдодальности) до околозенитного и пригоризонтного НКА.
Ионосферную погрешность при вертикальном прохождении радиолуча к наземному объекту от зенитного НКА можно оценить следующим образом:
R1=
Вертикальный профиль величины n(h) в зависимости от высоты можно представить в виде:
1. при h h1=100 км n(h) = 0 ;
2. при h1 h h2 = 300 км n(h) линейно возрастает до nm , где nm максимальное значение n(h) ;
3. при h2 h h3 = 400 км n(h) = nm ;
4. при h h3 = 400 км n(h) = nm e
a=200 км.
Используя данную аппроксимацию для n(h) , получим формулу для оценки ионосферной погрешности беззапросных измерений дальности (псевдодальности) до зенитного НКА
R1 = bэ nm ;
bэ = 0,5 (h2-h1)+(h3-h2)+a=400 км .
Параметр bэ можно назвать толщиной эквивалентной ионосферы, у которой n(h) = nm на высотах h = 200...600 км и вне этих высот n(h) = 0.
Ионосферную погрешность R2 псевдодальности горизонтного НКА ( ) можно приблизительно оценить следующим образом:
R2 = R1/ cos ; sin = r/(r+h3) ,
где угол между радиолучом от горизонтного НКА ( ) и местной вертикалью на высоте h3=400 км (середина эквивалентной ионосферы) ; r радиус Земли . Проводя вычисления , получим и соответственно R2=3,3 R1. Для пригоризонтного НКА ( =5 ...10 ) можно считать, что R2=3 R1.
Найдем величину nm для несущей частоты f=1600 МГц навигационного радиосигнала. В средних широтах в худший сезон (зимний день) в годы максимальной солнечной активности максимальная электронная концентрация на высотах 300...400 км может достигать N = 3,0 106 эл/см3, и соответственно для f=1,6 106 кГц получим
nm=3,8 10-5 , R1=15 м , R2=45 м.
Ночью и летом ионосферные погрешности будут в несколько раз меньше. В годы минимальной солнечной активности ионосферные погрешности даже в зимний день в 5...6 раз меньше приведенных выше максимальных значений.
Обсудим перспективу, когда в системе ГЛОНАСС будут эксплуатироваться НКА второй модификации, которые будут излучать двухкомпонентный навигационный радиосигнал 1250 МГц вместо однокомпонентного радиосигнала 1250 МГц в НКА первой модификации. Соответственно появляется возможность проводить измерения навигационных параметров в двухдиапазонной НАП с использованием узкополосных радиосигналов 1600 МГц и1250 МГц для исключения ионосферных погрешностей измерений. Но при двухдиапазонном измерении псевдодальности значительно возрастут шумовые погрешности и погрешности из-за многолучевости по сравнении с однодиапазонной НАП (1600 МГц). На динамичных объектах с недетерминированной моделью движения (T0=1 с) нецелесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц для определения координат объекта, поскольку в этом случае , как было показано выше:
1. шумовые погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА составят (S2) = 12...22 м, т.е. превысят ионосферные погрешности измерений в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день);
2. погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленные многолучевостью, составят (S2) = 9 м (в худшей ситуации), т.е. будут соизмеримы с ионосферными погрешностями в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день).
На малодинамичных наземных объектах целесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы, поскольку в НАП на малодинамичных объектах можно длительно осреднять результаты измерений (T0=30 c) и снижать до необходимого уровня шумовые погрешности псевдодальности и погрешности из-за многолучевости.
Структура навигационных радиосигналов в системе ГЛОНАСС
В системе ГЛОНАСС каждый штатный НКА в ОГ постоянно излучает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц. В НАП навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют исключить ионосферные погрешности измерений.
Каждый НКА имеет цезиевый АСЧ, используемый для формирования бортовой шкалы (БШВ) и навигационных радиосигналов 1600 МГц и 1250 МГц.
Шумоподобные навигационные радиосигналы в ОГ НКА различаются несущими частотами. Поскольку для взаимноантиподных НКА в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных НКА минимально необходимое число несущих частот в каждом диапазоне частот равно 12. Данное утверждение достаточно очевидно, если иметь в виду наземных потребителей (сухопутных, морских, воздушных), поскольку в зоне радиовидимости наземного потребителя не могут одновременно находиться взаимно антиподные НКА. Космический потребитель может одновременно “видеть” взаимноантиподные НКА. Однако имеются два благоприятных обстоятельства.
Первое заключается в том, что из двух взаимноантиподных НКА хотя бы один будет находиться ниже местного горизонта по отношению к космическому потребителю. Практически невозможно применить на космическом объекте одну широконаправленную антенну, способную принимать навигационные радиосигналы от всех “видимых” НКА выше и ниже местного горизонта. Поэтому в НАП на космическом объекте применяют: либо одну широконаправленную антенну для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше местного горизонта; либо несколько антенн и несколько приемников для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше и ниже местного горизонта.
В обоих вариантах НАП на космическом объекте будет осуществлять эффективную пространственную селекцию навигационных радиосигналов от взаимноантиподных НКА.
Второе обстоятельство заключается в том, что в НАП в сеансе навигации осуществляется поиск несущей частоты каждого принимаемого навигационного радиосигнала в пределах узкой полосы ( 1 кГц) около прогнозируемого значения с учетом доплеровского сдвига несущей частоты. Доплеровский сдвиг может иметь максимальные значения 5 кГц в НАП на наземных объектах и 40 кГц в НАП на низкоорбитальных космических объектах. Следовательно, в НАП на космическом объекте осуществляется эффективная доплеровская селекция навигационных радиосигналов от радиовидимых НКА.
Таким образом, навигационные радиосигналы взаимноантиподных НКА с одинаковыми несущими частотами будут надежно разделены в НАП на космическом объекте за счет пространственной и доплеровской селекции.
Навигационный радиосигнал 1600 МГц двухкомпонентный. На заданной несущей частоте в радиопередатчике формируются два одинаковых по мощности шумоподобных фазоманипулированных навигационных радиосигнала “в квадратуре” (взаимный сдвиг по фазе на 90 ): узкополосный и широкополосный.
Узкополосный навигационный радиосигнал 1600 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180 периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (ПСП1) с тактовой частотой F1 = 0,511 МГц и с периодом повторения Т1 = 1 мс (511 тактов). ПСП1 представляет собой М - последовательность с характеристическим полиномом 1 + X3 + X5. Путем инвертирования ПСП1 передаются метки времени (МВ) бортовой шкалы времени (БШВ) НКА и двоичные символы цифровой информации (ЦИ). Метка времени имеет длительность 0,3 с и передается в конце каждого двухсекундного интервала времени (в конце четных секунд). Метка времени содержит 30 двоичных символов длительностью 10 мс и представляет собой укороченную на один символ 31-символьную М-последовательность.
В каждой двухсекундной строке на интервале времени 1,7 с передаются 85 двоичных символов ЦИ, длительностью 20 мс и перемноженные на меандр, имеющий длительность символов 10 мс. Границы символов меандра, МВ и ЦИ когерентны. В приемнике с помощью меандра осуществляется символьная синхронизация для МВ и с ее помощью строчная и символьная синхронизация ЦИ.
Широкополосный навигационный радиосигнал 1600 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180 периодической двоичной последовательностью ПСП2 с тактовой частотой F2=5,11 МГц. Путем инвертирования ПСП2 передаются двоичные символы ЦИ длительностью 20 мс.