111
К числу потребителей СРНС второго поколения относятся наземные и морские объекты (подвижные и неподвижные), летательные аппараты (высокодинамичные и
низкодинамичные) и др.
В зависимости от потребителя, требования к точностным характеристикам, числу измеряемых координат и составляющих скорости, допустимому времени
вхождения в синхронизм, массогабаритным показателям и стоимости, типы аппаратуры потребителя колеблются в широких пределах. Для наземных и морских
объектов достаточно ограничиться измерением двух координат и двух составляющих скорости. Для летательных аппаратов число измеряемых координат и составляющих скорости возрастает до трех. Поэтому номенклатура модификаций
бортовой аппаратуры весьма обширна [25].
Основными задачами, решаемыми аппаратурой потребителя, являются:
- выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и опознавание навигационных сигналов ИСЗ,
-введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания и фазе
несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты,
-выделение и расшифровка содержания навигационного (информационного) сообщения,
-расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений,
-решение навигационной задачи (определение координат и составляющих
вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и частот),
-отображение вычисленных данных на информационном табло.
Известно, что существующая система GPS постоянно совершенствуется, в
частности – в отношении сервиса, предоставляемого системой GPS сообществу ее
пользователей, как гражданских, так и военных.
До мая 2000 года точность определения координат гражданских пользователей с использованием С/А - кода была относительно низкой – 40-100 метров, так как этот код сознательно загрублялся так называемым режимом
избирательного доступа SA (Selective Availability).
Это был специально созданный режим работы КА системы GPS только для режима SPS - С/А - кода для всех гражданских потребителей, когда значительно ухудшается точность измерения навигационного параметра псевдодальности в системе L1 на частоте f1 =1575,42 МГц. В этом режиме фактически смещалась шкала времени подачи сигнала с КА.
Это преднамеренное ухудшение точности работы было задумано с целью "не
дать возможному противнику воспользоваться точностью GPS с тактическими целями" (инициатива руководства ВС США). Позже, в процессе модернизации
системы произошли изменения, когда в полночь на 1 мая 2000 года согласно директиве Президента Клинтона этот режим был отключен [18,27].
С тех пор, как режим избирательного доступа был отключен, пользователи GPS постоянно получают горизонтальную точность в SPS лучше 10 метров.
Без всяких дополнительных пользовательских затрат на оборудование, отключение режима избирательного доступа дало пользователям GPS во всем мире значительные преимущества в реализации широкого круга их задач.
Точностные характеристики определения места, скорости движения и времени
подвижного объекта с помощью
112
GPS (работающего не в дифференциальном режиме) определяются источниками погрешностей и соответствующими статистическими характеристиками.
Основное назначение СНРС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная
оперативная навигация (сухопутных, морских, воздушных) подвижных объектов наземных и низкоорбитальных космических. Термин "глобальная оперативная навигация" означает, что подвижной объект, оснащенный навигационной
аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения - три
координаты и три составляющие вектора скорости [12].
Система разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ. Распоряжением Президента РФ от 18 02 99 г. ГЛОНАСС был придан
статус системы двойного (военного и гражданского) назначения [10,11]. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство Обороны и
Российское авиационно-космическое агентство.
, С марта 1995 г., Российская Федерация, являющаяся владельцем СРНС ГЛОНАСС, разрешает использовать систему ГЛОНАСС в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы.
ВГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на
круговых геоцентрических орбитах с высотой около 20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию бортовых эталонов времени и частоты ,атомных стандартов частоты, в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА.
ВНАП на подвижном объекте в сеансе навигации принимаются радиосигналы
не менее чем от четырех радиовидимых НКА и используются для измерения не менее чем четырех соответствующих псевдодальностей (ПД) и радиальных псевдоскоростей (ПС). Результаты измерений и эфемеридная информация (ЭИ), принятая от каждого НКА, позволяют определить три координаты и три
составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы
времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы. В СРНС число потребителей не
ограничивается, поскольку НАП не передает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА (пассивная навигация).
Радионавигационное поле СРНС ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить [9,11]:
1.локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов
(сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций и НКА;
2.высокоточную взаимную геодезическую "привязку" удаленных наземных
объектов;
3.взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных
наземных объектах;
4.неоперативную автономную навигацию низко – и среднеорбитальных
космических объектов;
113
5. определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых
разнесенными антеннами.
СРНС ГЛОНАСС включает в себя три сегмента: космический сегмент с
орбитальной группировкой (ОГ) навигационных космических аппаратов; сегмент управления - наземный комплекс управления (НКУ)
орбитальной группировкой НКА; сегмент аппаратуры потребителей (АП).
Полная орбитальная группировка СРНС ГЛОНАСС [15])
должен содержать 24 штатных НКА на круговых орбитах с наклонением i=64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120°. Номинальный
период обращения НКА равен Т=11 ч 15 мин 44 с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли.
Вкаждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°, и аргументы широты восьми НКА в трех орбитальных
плоскостях сдвинуты на ±15°. За время эксплуатации НКА на орбите (до пяти лет) реальные НКА в ОГ группировка положения могут отличаться от номинальных не более чем на ± 5°.
Всистеме ГЛОНАСС каждый штатный НКА в орбитальной группировке постоянно излучает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот: от 1602,56МГц до 1615,5 МГц (L1) и от 1246,43МГц до
1256,5МГц (L2) (для простоты дальше будем обозначать как 1600 МГц и 1250
МГц).
ВАП навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют исключить ионосферные погрешности измерений [15].
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 взаимноантиподные НКА. (Космический потребитель может одновременно "видеть" взаимноантиподные НКА).
ВАП 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 АП на наземных объектах и ±40 кГц в АП на низкоорбитальных космических объектах.
Навигационный L1 радиосигнал 1600 МГц - двухкомпонентный. На заданной несущей частоте в радиопередатчике формируются два одинаковых по мощности шумоподобных фазоманипулированных навигационных радиосигнала "в квадратуре"
114
(взаимный сдвиг по фазе на ±90°): узкополосный (стандартной точности, СТ) и широкополосный (высокой точности, ВТ).
Широкополосные навигационные радиосигналы в системе ГЛОНАСС предназначены для использования санкционированными потребителями и имеют
защиту от несанкционированного использования.
Узкополосный навигационный радиосигнал в системе ГЛОНАСС является открытым и предназначен для гражданских потребителей.
Для навигационных радиосигналов цифровая информация (ЦИ) навигационного сообщения 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 сметками времени) 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, позволяющие исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке. Кадр содержит 15 строк (30 с), суперкадр 5 кадров (2,5 мин).
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 (ЭИ) - координаты и производные координат НКА
впрямоугольной 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 блоку шкалы времени (БШВ) НКА;
- время t0. Время t0, к которому "привязаны" ЭИ и ЧВП, кратно 30 мин от начала
суток.
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.
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 шкале времени (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).
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 GPS (12,5
мин) [9,11].
115
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 2φ0=38° [9] и "освещает" диск Земли с избытком до высоты h0 над поверхностью.
Рабочую часть ДН можно представить в виде конусного радиолуча с углом 2φ0
при вершине. Очевидно, что
sinφ0=(h0 +r)/(H+r),
где: r = 6400 км -радиус Земли; Н=19100 км - высота орбиты НКА.
При φ0=19°, 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 АП может не оперативно определить орбиту космического объекта на основе обработки результатов приема навигационных радиосигналов на "освещенных" участках орбиты.
В настоящее время широкое распространение для целей морской навигации
получила глобальная спутниковая радионавигационная система США - «Навстар». В
России заканчивается окончательное развертывание СРНС ГЛОНАСС. По данным информационно-аналитического центра системы ГЛОНАСС [28], 4 марта 2008 года количество одновременно работающих спутников в системе вернулось к значению 15. Всего в системе числятся 16 аппаратов, из них работают 15, на техобслуживании
- 1. Точность местоопределения указанных систем в открытом коде составляет ±
(10…20) м при доверительном интервале 0,95, а в дифференциальном режиме до
±(2…5)м.
Обе эти СРНС разработаны и запущены в эксплуатацию соответственными
ведомствами этих стран и, по-прежнему, управляются военными, так что никто не может быть гарантирован от неожиданного прекращения работы систем.
Использование данных СРНС третьими странами вызывает некоторые трудности, связанные с необходимостью контроля их работоспособности, особенно
в местах военных и других конфликтов, к тому же доступ к ним может в любой момент прекращен или загрублена точность позицирования, как это было до мая
2000 г. с СРНС «Навстар».
После того как в 2000 г. основной провайдер услуг GPS (Министерство обороны
США) отказался от режима селективного доступа, точность определения координат
возросла почти на порядок, а режим дифференциальных поправок увеличивает