Спутниковые системы навигации (стр. 4 из 6)
· сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
· аппаратура пользователей системы.
Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции – навигационных определений, – система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.
В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника – 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечных батарей. Общая масса спутника – 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят: бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.
Рисунок 9
Рисунок 10а
Рисунок 10Б
Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:
· эфемеридное и частотно-временное обеспечение;
· мониторинг радионавигационного поля;
· радиотелеметрический мониторинг НКА;
· командное и программное радиоуправление НКА.
Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10–13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10–14. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3–5 нс.
Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.
Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Её основное назначение – высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:
· по космическому сегменту – Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
· по сегменту управления – IBM, Federal System Company;
· по сегменту потребителей – Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.
Как и система Глонасс, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.
Как было сказано выше, орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые сказывались на их характеристиках в целом. В таблице 1,2 приведены краткие характеристики космических аппаратов, используемых в системе.
Таблица 1 – характеристики космических аппаратов, используемых в системе GPS
| Тип НКА | Масса на орбите | Мощность энергоисточников, Вт | Расчётный срок активного существования | Год запуска первого НКА |
| Блок-I | 525 | 440 | - | 1978 |
| Блок-II | 844 | 710 | 5 | 1989 |
| Блок-IIR | 1094 | 1250 | 7,5 | 1997 |
| Блок-IIF | - | - | 14–15 | 2001–2002 |
Таблица 2 – сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS
| Показатель | ГЛОНАСС | GPS |
| Число КА в полной орбитальной группировке | 24 | 24 |
| Число орбитальных плоскостей | 3 | 6 |
| Число КА в каждой плоскости | 8 | 4 |
| Наклонение орбиты | 64,8º | 55º |
| Высота орбиты, км | 19 130 | 20 180 |
| Период обращения спутника | 11 ч. 15 мин. 44 с | 11 ч. 58 мин. 00 с |
| Система координат | ПЗ-90 | WGS-84 |
| Масса навигационного КА, кг | 1450 | 1055 |
| Мощность солнечных батарей, Вт | 1250 | 450 |
| Срок активного существования, лет | 3 | 7,5 |
| Средства вывода КА на орбиту | «Протон-К/ДМ» | Delta 2 |
| Число КА, выводимых за один запуск | 3 | 1 |
| Космодром | Байконур (Казахстан) | Мыс Канаверел (Cape Canaveral) |
| Эталонное время | UTC (SU) | UTC (NO) |
| Метод доступа | FDMA | CDMA |
| Несущая частота:L1L2 | 1598,0625–1604,257/9 L1 | 1575,4260/77 L1 |
| Поляризация | Правосторонняя | Правосторонняя |
| Тип псевдошумовой последовательности | m-последовательность | код Голда |
| Число элементов кода:C/AP | 51151 1000 | 10232,35x1014 |
| Скорость кодирования, Мбит/с:C/AP | 0,5115,11 | 1,02310,23 |
| Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ | -48 | -21,6 |
| Структура навигационного сообщения | ||
| Скорость передачи, бит/с | 50 | 50 |
| Вид модуляции | BPSK (Манчестер) | BPSK NRZ |
| Длина суперкадра, мин. | 2,5 (5 кадров) | 12,5 (25 кадров) |
| Длина кадра, с | 30 (15 строк) | 30 (5 строк) |
| Длина строки, с | 2 | 6 |
При проектировании системы в целом и НКА в частности, большое внимание уделяется вопросам автономного функционирования. Так, космические аппараты первого поколения (Блок-I) обеспечивали нормальную работу системы (имеется в виду, без существенных ошибок определения координат) без вмешательства сегмента управления в течение 3–4 дней. В аппаратах Блок-II этот срок был увеличен до 14 дней. В новой модификации НКА Блок-IIR позволяет автономно работать в течение 180 дней без корректировки параметров орбиты с земли, пользуясь лишь автономным комплексом взаимной синхронизации спутников. Аппараты Блок-IIF предполагается использовать взамен отработавших Блок-IIR.
Состав и структура навигационных сообщений спутников системы Глонасс
Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) – Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.
Навигационные сообщения спутников системы Глонасс необходимы потребителям для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и неоперативную информацию.
Оперативная информация относится к спутнику, из сигнала которого она была получена. К оперативной информации относят:
· оцифровку меток времени;
· сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;
· относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения;
· эфемеридная информация.
Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения спутника.
Неоперативная информация содержит альманах, включающий:
· данные о состоянии всех спутников системы;
· сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;
· параметры орбит всех спутников системы;
· поправку к шкале времени системы Глонасс.
Выбор оптимального «созвездия» КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частоты обеспечивается за счёт анализа альманаха системы.
Навигационные сообщения спутников системы Глонасс структурированы в виде суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с. Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительности строки последние 0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит 85 символов цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.
В составе каждого кадра передаётся полный объём оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах содержится во всём суперкадре. При этом информация суперкадра, содержащаяся в строках 1–4, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.
Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.