В СНГ СРНС 2–го поколения получила наименование “Глонасс” (Глобальная навигационная спутниковая система), в США “Навстар” (Navstar–Navigational Satellite Time and Randin – навигационный спутник измерения времени и координат) или по ее фактическому назначению GPS (Global Position Sistem – глобальная система местоопределения). Основные свойства обеих СРНС определяются выбором системы НИСЗ (баллистическим построением), высокой стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а так же действенными способами устранения и компенсации ряда погрешностей.
ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система, предназначенная для определения положения, скорости и точного времени для кораблей, самолетов, наземных объектов и других типов пользователей. Система “Глонасс состоит из трех подсистем: подсистемы космических аппаратов, подсистемы контроля и управления, оборудование пользователей.
Орбитальная группировка ИСЗ состоит из 24 спутников, по восемь в каждой из трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости размещаются через каждые 120 градусов по возрастанию абсолютного угла долготы.
Определение пространственных координат и составляющих скорости основывается на дальномерных и доплеровских измерениях. Спутниковые РИС характеризуются высокими требованиями к формированию системной шкалы времени и ее поддержанию (хранению) в течение всего срока существования системы. Необходимость в высокой стабильности временной шкалы возрастает по мере повышения требований к точности навигационных определений, в особенности при использовании пассивного дальномерного метода. Параметры системы и ее отдельных звеньев, а также математическое обеспечение (МО) выбираются так, чтобы точность навигационных определений оценивалась значениями по координатам до 10 м, по скорости до 0,05 м/с.
Глобальное поле сетевых СРНС при успешном развитии международного сотрудничества будет образовано полями обеих систем «Глонасс» и «Навстар», т.к. близость этих систем как по баллистическому построению орбитальной группировки КЛА, так и по радиосигналам, излучаемым КЛА, позволяет создать АП, работающую по сигналам обеих систем. При этом в качестве рабочих созвездий будут одновременно использованы КА, принадлежащие обеим системам.
В бортовой аппаратуре навигационно-временного обеспечения подвижных объектов, создаваемой в виде комплексов соответствующих средства основным радионавигационным каналом явится канал сетевых СРНС, позволяющий определять полный вектор состояния подвижного объекта - три его координаты, три составляющие вектора скорости, поправки к бортовой ШВ и к частоте местного эталонного генератора. Поскольку потребителями ССРНС будут не только подвижные объекты, но и стационарные, нуждающиеся в высокоточном определении их координат и поправок к местной ШВ, речь может идти не только о навигационно-временном обеспечении, но и о более широкой задаче - координатно-временном обеспечении. Применительно к такой постановке вопроса можно также утверждать, что основу координатно-временного обеспечения составит именно применение сетевых спутниковых РИС.
Можно утверждать, что основой навигационно-временного обеспечения потребителей всех видов (исследовательских, народнохозяйственных, оборонных) на ближайшие десятилетия явятся именно сетевые спутниковые системы «Глонасс» и «Навстар».
Целью дипломного проекта является разработка устройства при помощи которого можно осуществлять синхронизацию шкал времени (ШВ) удалённых пунктов. В качестве эталона времени принимается ШВ системы «ГЛОНАСС». При помощи этого устройства можно осуществлять привязку к другим системам точного времени (СЕВ, UTC). Этого можно достигнуть, учитывая известные расхождения между ШВ «ГЛОНАСС» и ШВ других систем. Ещё более повысить точность временного обеспечения можно путём использования сигналов американской спутниковой навигационной системы GPS (NAVSTAR), однако в данном проекте такая задача не ставится.
1. Обзор существующих методов решения задачи синхронизации шкал времени разнесённых пунктов
1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую РНС, в которой роль опорных радионавигационных точек (РНТ) выполняют ИСЗ, несущие навигационную аппаратуру. Навигационные ИСЗ (НИСЗ) являются аналогом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС. Перенос РНТ из наземных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привел к существенным изменениям в построении этих РНС. Если наземные РНС содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру РНТ и потребителей (П), то СРНС включают в себя ряд дополнительных звеньев. Упрощенная структурная схема СРНС включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру П, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления (ЦУ).
Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развертывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракетоносителей и НИСЗ, их испытания, заправку НИСЗ и их состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с НИСЗ на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск. Приданные космодрому командно-измерительные средства по телеметрическому и траекторному каналам контролируют работу бортовых систем и траекторию полета на участке вывода на орбиту.
Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. На НИСЗ, как на КА, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.
Аппаратура потребителей предназначается для приема сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре П предусматривается специализированная ЭВМ.
Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими как космическими аппаратами. Для этого с помощью наземных средств КИК выполняется телеметрический контроль за состоянием спутниковых систем и управление их работой, осуществляется определение параметров Движения НИСЗ и управление их движением, проводится сверка и согласование бортовой и наземной шкал времени, а также ведется снабжение П так называемой эфемеридной информацией, т. е. сведениями о текущих координатах сети НИСЗ, информацией о состоянии их бортовых шкал времени, а также рядом поправок.
Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и КИК.
1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ СОГЛАСОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ СИСТЕМ «ГЛОНАСС» И «НАВСТАР»
В ССРНС «Глонасс» и «Навстар» в качестве хранителей ШВ используются соответствующие высокостабильные НХВ и в каждой из систем наземный комплекс управления (НКУ) осуществляет синхронизацию шкал БХВ НИСЗ и НХВ.
Система «Навстар» предназначена не только для навигационных определений, но и для временных. При этом под временным определением понимается оценка поправки к шкале времени потребителя относительно некой универсальной шкалы. В качестве последней в системе «Навстар» принята шкала Морской обсерватории США - UТСUSNO. Дополнительно НКУ решает задачу синхронизации шкалы НХВ системы «Навстар» и шкалы UТСUSNO. Как будет отмечено далее, модель ухода НИСЗ в системе «Навстар» с достаточной степенью точности на интервале времени до 1ч описывается полиномом 2-й степени, коэффициенты полинома a0, а1, а2 определяемые средствами НКУ, передаются в кадре сигнала в составе служебной информации и позволяют обеспечить синхронизацию ШВ сети НИСЗ системы. Кроме того, для обеспечения временных определений в составе служебной информации (СИ) передаются два коэффициента А0, А1, позволяющие потребителям определять время в шкале UТСUSNO.
Аналогичный способ синхронизации ШВ БХВ используется и в системе «Глонасс». Отличие заключается в следующем: уход ШВ БХВ на интервале времени 0,5 ч описывается полиномом первой степени (коэффициенты a0, а1), в качестве универсальной ШВ используется шкала СЕВ, поправка к системной ШВ относительно шкалы СЕВ передается в виде коэффициента А0.
Формирование ШВ в системах «Глонасс» и «Навстар» схематично показано на рис. 1.