Основные принципы работы СРНС

Введение:

Спутниковая радионавигация является одним из перспективных направлений прикладной космонавтики. Она обеспечивает качественно новый уровень координатно-временного обеспечения наземных, морских, воздушных и космических потребителей. Это подтверждается такими важными достоинствами современных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS (NAVSTAR), как глобальность рабочей зоны, неограниченная пропускная способность, скрытность, живучесть, беспрецедентно высокая точность и непрерывность измерений пространственных координат потребителей, их скорости движения и пространственной ориентации, текущего времени и т.д. Указанные свойства СРНС предопределили возможность рассмотрения вопроса об использовании в перспективе СРНС в качестве единственного средства для определения местоположения летательного аппарата (ЛА) и времени. В настоящее время предусматривается использование СРНС не только в целях навигации, но и для наблюдения за воздушным пространством в целях УВД (принцип зависимого наблюдения). Кроме того, предполагается использование СРНС для сокращения минимума эшелонирования, обеспечения опознавания ЛА в рамках реализации концепции координатно-временного опознавания («свой чужой»). 1. Общие сведения и принцип действия СРНС

В состав СРНС входят три подсистемы:

подсистема навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ);
подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс (КИК));
аппаратура навигационных потребителей (приемоиндикаторы).

В настоящее время считается целесообразным введение в состав СРНС функциональных структур, обнаруживающих и идентифицирующих нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функционирования и своевременно предупреждающих об этом потребителей системы. Структура, способы функционирования и требуемые характеристики подсистем СРНС во многом зависят от требуемого качества навигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений.

Основные функции НИСЗ заключаются в формировании и излучении радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС. Для этого в состав аппаратуры НИСЗ обычно входят: радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ), солнечные батареи и т.д.

Орбитальная конфигурация сети НИСЗ обеспечивает заданную рабочую зону, возможность реализации различных методов навигационно-временных определений (НВО), дискретность и точность НВО, диапазон изменения параметров радиосигналов НИСЗ и т.д. Так, например, увеличение высоты полета НИСЗ позволяет расширить зону прямой видимости и принимать сигналы НИСЗ на значительных территориях. И тогда несколько НИСЗ, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и авиационного потребителя, радионавигационное поле (глобальную рабочую зону). В свою очередь соответствующие характеристики сигналов НИСЗ и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью. Количество и пространственная расстановка видимых НИСЗ во многом обеспечивают точность НВО.

В современных СРНС большое внимание уделяется взаимной синхронизации сети НИСЗ по орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило использование применительно к ним термина сетевые СРНС. КИК обеспечивает наблюдение и контроль за траекторией движения НИСЗ, качеством функционирования их аппаратуры, управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации. Обычно КИК состоит из координационно-вычислительного центра (КВЦ), станций траекторных измерений (СТИ), станций управления (СУ), наземного (системного) эталона времени и частоты (СЭВЧ). Периодически, при полете НИСЗ в зоне видимости СУ, происходит закладка в память бортовой ЭВМ спутника наборов эфемерид и другой необходимой информации. Эти данные затем передаются потребителям в навигационном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Приемоиндикаторы (ПИ) СРНС предназначены для приема и обработки навигационных сигналов НИСЗ с целью определения необходимой потребителям информации. Обычно они состоят из радиоканала и вычислителя. Координаты НИСЗ определяются на КИК, так как существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой проблемы в наземных условиях. Однако, в современных СРНС управление НИСЗ осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается постоянное взаимодействие КИК и сети НИСЗ. Поэтому можно выделить два этапа решения этой задачи.

На первом этапе аппаратура КИК сначала измеряет координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляет параметры их орбит. Затем эти данные прогнозируются на фиксированные, т.н. опорные, моменты времени, например, на середину каждого часового интервала предстоящих суток до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные таким образом координаты НИСЗ и их производные (т.н. эфемериды) передаются на НИСЗ, чтобы затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, последовательно передаваться потребителям.

На втором этапе в аппаратуре потребителя (АП) по этим данным осуществляется вторичное прогнозирование координат НИСЗ, т.е. вычисляются текущие координаты НИСЗ в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат осуществляется с учетом известных закономерностей движения НИСЗ. В отличие от самоопределяющихся НИСЗ, рассмотренный вариант функционирования СРНС обеспечивает упрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры КИК с целью достижения заданной надежности системы.

Заметим, что КИК, кроме того, закладывает в навигационное сообщение НИСЗ так называемый альманах набор справочных сведений о сети НИСЗ. Он, в частности, содержит загрубленные эфемериды НИСЗ, которые обычно используются лишь для определения видимых потребителю НИСЗ и выбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО. Темп обновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому она называется часто оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.

В ПИ современных СРНС определение поверхностей (линий) положения осуществляется пассивным (беззапросным) способом путем измерения, например, доплеровского сдвига частоты и (или) времени распространения навигационных сигналов от НИСЗ до потребителя. Это обстоятельство объясняет неограниченную пропускную способность рассматриваемых СРНС и скрытность работы их потребителей. Таким образом, процедура навигационных определений в ПИ современных СРНС характеризуется многоэтапностью и включает в себя, как правило, измерение дальностей до НИСЗ и их производных, вычисление координат НИСЗ на момент измерений, вычисление координат потребителя, его скорости, текущего времени и др. 1.1. СРНС NAVSTAR

Орбитальная группировка в СРНС GPS состоит из 24 НИСЗ, расположенных на 6ти круговых синхронных орбитах (по 4 НИСЗ на каждой) с наклонением 55° , периодом обращения 12 часов и высотой около 20 000 км над поверхностью Земли. Долготы восходящих узлов орбитальных плоскостей смещены друг относительно друга на 60° .

Спутники GPS передают два типа различных сигналов: сигнал точного кода, или P код (с ноября 1994 года заменен на более криптостойкий Y код), и сигнал грубого кода, или C/A код. P код предназначен для использования санкционированными военными пользователями и обеспечивает так называемое точное позиционное обслуживание. В целях ограничения доступа к Yкоду несанкционированным потребителям США могут внести в Y код элемент шифрования, получивший название antispoofing. Код C/A предназначен для использования невоенными потребителями и обеспечивает так называемое стандартное обслуживание по определению местоположения (SPS). По сравнению с Y кодом C/A код характеризуется меньшей точностью и устойчивостью к воздействию активных преднамеренных радиопомех. Кроме того, захватить этот сигнал легче, и поэтому военные приемники вначале отслеживают C/A код, а затем переходят на Y код. Военные органы США могут понизить точность C/A кода, использовав для этого так называемый метод селективного доступа (Selective Availability SA). Таким образом, SA позволяет контролировать уровень точности, предоставляемый всем пользователям стандартным обслуживанием по определению местоположения.

Для нахождения трехмерных координат местоположения пользователя (X, Y, Z), определяющих широту, долготу и высоту с учетом погрешности измерения времени (четвертая неизвестная величина), требуется решить систему из четырех уравнений. Поэтому на приемную станцию должны поступать сигналы как минимум от четырех НИСЗ. При вычислении же планарных (плоскостных) координат достаточно сигналов от трех спутников. Скорость определяется по доплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала ИСЗ, вызываемому движением пользователя. Доплеровский сдвиг замеряется при сопоставлении частот сигналов — принимаемого от спутника и генерируемого в приемной станции. Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух частотах: 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2). На второй излучаются только сигналы с военным кодом P (Y), несущим высокоточную информацию (P — Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационных помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы как с кодом P (Y), так и с общедоступным кодом C/A (Coarse Acguition — грубый захват), т.е. в СРНС NAVSTAR используется кодовое разделение сигналов.

Прием сигналов с кодом P (Y) дает возможность работы в режиме высокой точности измерений (PPS — Precise Positioning Service), а сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении через ионосферу изза нелинейности (увеличения пути) распространения в ней радиоволн. Определение времени прохождения радиоволнами участка “спутник — Земля” при их прямолинейном распространении значительно повышает точность измерений навигационных данных.

Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Кроме того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики в режиме стандартной точности измерений (SPS — Standart Positioning Service). Так, если в режиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения планарных координат не превышают 22 м, высоты — 27,7 м и времени — 0,09 мкс, то в SPS они увеличиваются соответственно до 100 м, 140 м и 0,34 мкс, соответственно. Вероятная круговая ошибка (КВО) определения планарных координат в PPS составляет не более 8 м, а в SPS — не более 40 м (предполагается, что сигналы поступают от четырех НИСЗ с благоприятным геометрическим расположением относительно потребителя). Ошибка измерений в режиме SPS может быть доведена до 300 м и более. Преднамеренное ухудшение точности путем ввода ошибок при формировании навигационных данных в период обострения обстановки в мире (режим избирательного доступа — Selective Availability) не вызывает каких-либо проблем у военных пользователей США и их союзников. Дело в том, что наличие режима SPS определялось необходимостью грубого определения военными пользователями РНС NAVSTAR своего местоположения для вхождения в код P (Y). В настоящее время уровень развития навигационных средств в большинстве случаев позволяет осуществлять достаточно быстрый захват P (Y) без применения кода С/А, поэтому значительная часть военных приемных станций такого режима не имеет вообще.

Сигналы с обоими кодами — P (Y) и С/А — несут навигационную информацию, передаваемую со скоростью 50 бит/с. Сообщения передаются по кадрам, каждый из которых содержит 1500 бит информации, то есть длительность его равна 30 с. Кадр подразделяется на пять субкадров, однако субкадры № 4 и № 5 повторяются по 25 раз, поэтому для передачи полного сообщения требуется 25 кадров, что занимает 12,5 мин. Следует, однако, иметь в виду, что для измерения текущей псевдодальности и получения поправок времени бортового времязадающего устройства получения всего объема информации не требуется. К тому же субкадры № 1, 2 и 3 повторяют во всех кадрах специфическую для каждого ИСЗ информацию: № 1 несет сообщение об уходе бортового стандарта частоты, по которому определяется работоспособность спутника, № 2 и № 3 представляют высокоточные данные о реальных параметрах его орбиты. Они необходимы для захвата кода и поэтому повторяются каждые 30 с. Это время является стандартным для первоначального определения пользователем своего местоположения.

Основная навигационная информация включает время системы NAVSTAR в момент излучения сигнала и коэффициент коррекции запаздывания сигнала при искривлении его пути на ионосферном участке (расчетное, а не реальное значение). Сигналы обоих кодов представляют собой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью которых осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. При этом в случае передачи сигналов с кодами P (Y) и С/А на одной несущей частоте фазы передаваемых сообщений сдвигаются на 90° . В результате псевдошумовой манипуляции ширина полосы сигнала, несущего информацию, увеличивается со 100 Гц (удвоенная частота навигационных посылок 50 Гц) до 20,46 МГц (код Р) или до 2,046 МГц (код С / А). Обеспечиваемая спутниками “Block 2A и 2R” величина сигнала у поверхности Земли составляет 160дБВ, а для кода С/A достигает 163дБВ. В результате уровень сигнала у приемной антенны пользователя ниже уровня шумов приемных станций и его выделение осуществляется за счет накопления и сжатия.

Военный код P (Y), имеющий продолжительность 267 суток, состоит из самостоятельных элементов, которые длятся примерно по 7 суток. Каждый ИСЗ использует свой элемент кода, что позволяет осуществлять их распознавание. Код С/А — общедоступный из за простоты, обусловленной малой продолжительностью, может применяться как в военных, так и в гражданских приемных устройствах. Вся навигационная информация передается посылкой длительностью 1 мс, содержащей 1023 бит. 1.2. СРНС ГЛОНАСС

Орбитальная группировка СРНС ГЛОНАСС, как и GPS, состоит из 24 НИСЗ. В ГЛОНАСС спутники расположены на трех круговых орбитах с наклонением 64,8о (по 8 на каждой). Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей номинально различаются на 120о. Период обращения каждого НИСЗ равен 11 часам 15 мин. 44 сек., высота орбиты 19100 км над поверхностью Земли. Несинхронные орбиты НИСЗ в ГЛОНАСС более стабильны по сравнению с синхронными орбитами в GPS. Это объясняется следующим образом. Синхронная орбита имеет двухвитковый след на поверхности земли и возмущения орбит отдельных НИСЗ, обусловленные нецентральностью поля тяготения Земли, будут заметно отличаться. Несинхронная орбита имеет многовитковый след на поверхности Земли и возмущения орбит для всех НИСЗ орбитальной группировки будут практически одинаковы.

В ГЛОНАСС каждый НИСЗ излучает сигналы в двух диапазонах 1600 МГц и 1200 МГц. Кроме того, в ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов НИСЗ. Номиналы частот нижнего и верхнего диапазонов в ГЛОНАСС задаются выражениями

fнк= fно+kDfн; fвк= fво+kDfв,

где fно= 1246 МГц; fво= 1602 МГц; Dfн= 0,4375 МГЦ; Dfв= 0,5625 МГц; при этом отношение нижней и верхней частот равно fнк/fвk= 7/9.

До 1998 года в ГЛОНАСС будут использованы следующие номера несущих частот к=1..15, 21..24. С 1998 по 2005 г.г. номера частот должны лежать в диапазоне k= 1..12. С 2005 года должен быть осуществлен переход на номера частот k= 7..4. Уменьшение числа рабочих частот объясняется тем, что спутники-антиподы (в смысле размещения НИСЗ на орбитальной плоскости) в ГЛОНАСС будут иметь одинаковые частоты. Действительно, для околоземных и наземных потребителей такие НИСЗ никогда не будут видны одновременно, а для космических потребителей сигналы от них будут приходить с разных направлений.

Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот НИСЗ ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на p/2 фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НИСЗ ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.

Служебная информация накладывается на узкополосный дальномерный сигнал путем инвертирования открытого дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек.: первые 0,3 сек. предназначены для метки времени, остальные 1,7с предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек.) Пять кадров навигационной информации объединяются в суперкадр. В составе каждого кадра передается полный объем цифровой информации, относящейся к данному НИСЗ и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передается одним суперкадром.

Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:

признак достоверности информации в кадре;
время начала кадра;
эфемеридную информацию —координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to;
частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ;
время to (кратно 30 мин. от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотновременные поправки.

Альманах системы содержит:

время, к которому относится альманах;
параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ;
поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны (единой системы времени).

В СРНС ГЛОНАСС не предполагается введение селективного доступа. Одновременно, за счет частотного разделения каналов в ГЛОНАСС обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность. Согласно [5], в годы солнечной минимальной активности (ближайшим годом солнечной максимальной активности будет 2001 г.) в ГЛОНАСС при НВО по 6 НИСЗ по открытому дальномерному коду СКО ошибок определения широты и долготы составит 20-28 м, а высоты 40-52 м, что в 2,5 раз меньше, чем для НВО в GPS при тех же условиях.

Перспективы развития СРНС

Изучение СРНС (типа NAVSTAR и ГЛОНАСС) приводит к выводу, что ее использование в целях навигации особенно эффективно. Основной причиной этого является применение в этой системе концепций, которые находятся на переднем крае развития науки и техники. Вопросам разработки приемоиндикаторов для СРНС в последнее десятилетие было уделено большое внимание, как в практическом, так и в теоретическом плане. Среди основных проблем, стоящих перед разработчиками приемоиндикаторов СРНС, в настоящее время выделяются следующие:

Широкое использование в приемоиндикаторах GPS алгоритмов оптимальной фильтрации, а также новых технологий, что позволит существенно повысить их эффективность и улучшить тактико-технические характеристики, а также позволит решать принципиально новые задачи (например, такие, как определение пространственной ориентации летательного аппарата, автоматический заход на посадку до касания, автоматизированную дозаправку топливом в полете, полеты в плотных боевых порядках и др.).
Повышение достоверности навигационных определений по СРНС. Эта проблема решается двумя главными путями:
обеспечение целостности СРНС, т.е. исключение использования неисправных НИСЗ. Для решения данной задачи предполагается запуск 3 4 геостационарных спутников, расположенных в плоскости экватора (это обеспечивает охват большей части Земли), с одновременной организацией специального канала для передачи информации о целостности (так называемый GIC Greatest Integrated Channel). В приемоиндикаторе она может решаться автономно (технология RAIM — Receiver Autonomic Integrated Monitoring) и с использованием дифференциальных методов;
повышение помехоустойчивости приемоиндикаторов, в том числе в условиях воздействия преднамеренных помех. Этот путь включает: улучшение алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих снижение порогового отношения сигнал/шум, пространственно-временную обработку сигналов и комплексирование СРНС с другими системами (объединение ИНС и приемоиндикаторов СРНС NAVSTAR в единые бортовые системы для обеспечения максимальной точности, надежности и непрерывности выдачи пилотажно-навигационных параметров, а также для высокочастотного (100 – 600 Гц) ввода данных в автопилоты при относительно низких частотах выходов GPS (1 – 10 Гц)).
Повышение точности навигационных определений до предельно малых значений. Эта проблема решается прежде всего использованием дифференциальных и относительных методов навигации (технология DGPS — Differential GPS), в значительной степени обеспечивающих компенсацию общих для всех потребителей систематических ошибок. Основное направление повышения точности связано с использованием, наряду с информацией, заключенной в огибающей принимаемого сигнала, фазовой информации, содержащейся в его высокочастотном (ВЧ) заполнении. При этом главная возникающая трудность состоит в разрешении неоднозначности измерений.
Обеспечение таких потребительских свойств приемоиндикаторов, как компактность, дешевизна аппаратуры и т.д. Среди множества путей решения этих важных проблем одноэтапный алгоритм, использование группирования отсчетов, позволяющие сократить требования к процессору и др.