Анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы работающей в дифференциальном режиме (стр. 3 из 21)

2. СРНС «НАВСТАР»

Глобальная спутниковая система «НАВСТАР» предназначена для высокоточного определения пространственно-временных координат и составляющих скорости объектов-потребителей. Система разработана по заказу и находится под управлением МО (ВВС) США [5].

Система предоставляет два вида обслуживания [6]:

1. Standard Positioning Service (SPS) - стандартное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для гражданских пользователей;

2. Precise Positioning Service (PPS) - точное обслуживание по определению местоположения, предназначенное для военных и авторизованных пользователей, имеет более высокую точность по сравнению с SPS.

Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений:

· горизонталь 100 метров;

· вертикаль 156 метров;

· время 340 наносекунд.

Стандартное обслуживание по определению местоположения предоставляется с использованием сигнала «НАВСТАР» L1. Сигнал Ll передается всеми спутниками, входящими в состав группировки и содержит так называемый грубый код (С/А) и данные навигационного сообщения. Сигнал L1 также содержит точный код (P), который зарезервирован для военного использования и не является частью SPS.

Спутники «НАВСТАР» также передают сигнал L2, который не является частью SPS.

Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы:

· горизонталь 22 метра;

· вертикаль 27.7 метров;

· время 100 наносекунд.

Здесь приведены показатели точности «НАВСТАР» из Федерального плана радионавигации 1994 года. Приведенные показатели имеют точность 95% и выражают значение двух среднеквадратичных отклонений. Для горизонтальных рисунков (цифр, показателей) 95% точность - эквивалент 2 drms (two distance rооt-mеаn-squаrеd), или два радиальных среднеквадратичных отклонения. Для вертикали и времени 95% точность - значение двух стандартных отклонений ошибки по высоте или ошибки по времени.

Изготовитель приемника может использовать другие меры точности. Среднеквадратичная (Root mеаn square - RМS) ошибка - значение одного среднеквадратичного отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка (Circular Erоr Probable - СЕР) - значение радиуса круга, центрированного при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения. Вероятная сферическая ошибка (Spherical Erоr Probable - SEP) - сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2 drms, drms или RМS; СЕР и SEP не подвержены воздействию больших грубых ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность указывается в RМS или СЕР без учета SA, делая эти приемники "более точными" чем те, в которых используются более консервативные меры ошибки.

2.1 Структура системы

Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов:

· космического сегмента;

· сегмента управления (CS - control sеgшеnt);

· сегмента потребителей.

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60˚. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА,которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55˚ и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.

Сегмент управления состоит из:

· Основной станции контроля и управления;

· Резервной станция контроля и управления;

· Четырех наземных антенн слежения;

· Шести наземных станций слежения.

Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.

С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.

Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.

Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.

2.2 Навигационный радиосигнал

В системе «НАВСТАР» используется кодовое разделение сигналов (CDМA), все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы «НАВСТАР» излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет

, а второго . Сигнал несущей частоты , модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных (сигнал с частотой 50 Гц, состоящий из информационных разрядов, которые описывают орбиты спутников системы «НАВСТАР», синхронизируют коррекцию и другие параметры системы), формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р (precise) или засекреченного кода Yи навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/А (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.

Радиосигнал на частоте

бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.

Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/А и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.

Кроме описанных дальномерных кодов Р, Y, C/A в системе «НАВСТАР» предусмотрены нестандартные коды С/А (NSC) и Y(NSY), которые формируются при появлении неисправностей в бортовой аппаратуре какого-либо НИСЗ. Нестандартные коды отличаются от кодов исправных НИСЗ и не могут быть декодированы потребителем. Применение NSC и NSY в системе обеспечивает защиту потребителей от использования неправильной информации.

Каждый из сигналов, излучаемых на частотах

и , представляет собой ФМ несущую, манипуляция которой выполняется навигационным кодом, труднообнаруживаемым для военных и легкообнаруживаемым для гражданских. В первом случае используется сложный псевдошумовой код, обеспечивающий высокую точность местоопределения, скрытность, защиту от искусственных помех. Разделение излучений НИСЗ - кодовое (CDMA), каждый из них излучает свой навигационный код. Разделение сигналов одного и того же НИСЗ, излучаемых на частоте , фазовое (фазовый сдвиг ).

Навигационный код образуется из дальномерного кода и кода двоичной служебной информации D (data) путем их сложения по модулю 2. Легкообнаруживаемый дальномерный код С/А - код пониженной точности - имеет частоту синхронизации 1,023 МГц и период 1 мс. Высокоточный защищенный дальномерный код Р и излучаемый вместо него код Y (когда требуется препятствовать применению уводящей помехи при работе по сигналу Р) имеют одинаковую частоту синхронизации, равную 10,23 МГц, на порядок более высокую, чем у кода С/А.

2.3 Структура навигационного сообщения

В настоящем разделе описывается смысловое содержание и формат навигационного сообщения, передаваемого НКА «НАВСТАР» в навигационном радиосигнале.

Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА «НАВСТАР» навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:

· оцифровку меток времени НКА;

· сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР»;

· относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;

· эфемериды НКА и другие параметры.

Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя:

· данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);

· сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР» (альманах фаз);