Динамо-машины  Радионавигационные системы, спутниковая радионавигация 

1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

системах в зоне радиовидимости П всегда располагается нужное число НИСЗ. Дискретные системы должны применяться поэтому в комплексе с другими средствами для их периодической коррекции. Системы непрерывного действия могут выступать как самостоятельные средства высокоточной навигации.

Непрерывность навигационных определений основывается на таком построении системы НИСЗ, при котором все НИСЗ движутся с определенной взаимной координацией, так что постоянно обеспечивается прохождение в зоне видимости П необходимого их числа. Такая координированная сеть НИСЗ поддерживается периодической коррекцией положения каждого НИСЗ, создающей нужную их фазировку. В связи с этим системы непрерывного действия могут называться также сетевыми или корректируемыми. При отсутствии координации движения система НИСЗ лишается сетевых свойств, НИСЗ будут обращаться на своих орбитах обособленно, регулярность появления их в зоне видимости П будет определяться только периодичностью их орбитального движения. Соответственно этому навигационные определения можно будет выполнять только по мере прихода НИСЗ в зону видимости П, т. е. дискретно. Поэтому дискретные системы можно называть также некоординированными или некорректируемыми. Следует заметить, что в принципе и в некоординированных системах можно добиться практически непрерывной навигационной работы, ио только за счет значительного избытка числа вводимых в систему НИСЗ, что по технико-экономическим соображениям представляется вряд ли целесообразным.

По высоте орбиты СРНС разделяются на низкоорбитные, средневысокие (среднеорбитные) и высокоорбитные системы. Такое разделение не просто формально-количественное, оно связано с существенными особенностями структуры и рабочих процессов СРНС. При низких орбитах (примерно 100,0 км над поверхностью Земли) период обращения невелик (105 мин), мал и угловой радиус зоны радиовидимости (около 25 deg;), а скорость относительного движения НИСЗ и П наибольшая. Это предопределяет построение на таких НИСЗ некоординированных систем с измерениями по одному НИСЗ и l ис.юльзованием как координатных, так и скоростных измерений. Из высоких орбит наиболее характерны стационарные (около 36100 км), при размещении на которых экваториальных НИСЗ последние будут неподвижны относительно земной поверхности, имея угловой радиус зоны радиовидимости примерно 75 deg;. Совокупности таких НИСЗ образуют естественную координированную сеть и благодаря попаданию как П, так и НЦП в зону видимости НИСЗ могут использоваться для построения систем иноопределения, в которых, однако, не могут применяться скоростные измерения. Средневысокие орбиты (14...20 тыс. км) при периодах обращения 8...12 ч и радиусе зоны обслуживания 65. .70 deg; хорошо сочетают достоинства низких и высоких орбит. На таких орбитах могут строиться сетевые СРНС как для самоопределения по нескольким НИСЗ, так и для иноопределения, использующие как координатные, так и скоростные измерения. На классификационной таблице (см. рис. 1.2) варианты СРНС с измерениями по одиночным некоординированным НИСЗ занимают нечетные строки, а также позицию 18, в то время как четные строки отведены для вариантов СРНС с координированными сетями и измерениями по группе НИСЗ.

Классификация по организации измерений продолжает разделение СРНС по темпу выдачи навигационных решений применительно к вариантам построения аппаратуры П. По этому признаку бортовую аппаратуру П (БАП) можно разделить на одноканальную и многоканальную. При одноканальной БАП измерительный канал настраивается на слежение за сигналом одного НИСЗ, поэтому измерения по нескольким НИСЗ можио выполнять только последовательно во времени. Такое построение свойственно аппаратуре низкоорбитных СРНС дискретного действия, у которых между навигационными сеансами имеется достаточно времени для перестройки на сигнал очередного НИСЗ. Применеиие же одноканальной аппаратуры в СРНС с координированными сетями средне-высоких НИСЗ приводит к удлинению навигационного сеанса, а следовательно, к снижению темпа выдачи координат объекта. Такое решение влечет за собой недоиспользование возможностей систем непрерывного действия, но бывает оправданным при иеобходимости упрощения и удешевления аппаратуры массового П. Многоканальное построение приемоизмерителей направлено на реализацию параллельного и одновременного приема сигнала от используемой группы НИСЗ для практически мгновенного определения координат П, что составляет основу функционирования систем непрерывного действия. На классификационной таблице варианты сетевых координированных СРНС можно трактовать как многоканальные, имея в виду параллельную работу радиоканалов, и как одноканальные, предполагая последовательное установление радиоконтактов.

Следует иметь в виду, что в радиоканале НИСЗ - П работа может проводиться одновременно на двух частотах (для исключения одного из видов ошибок распространения, см. гл. 5), вследствие чего термины laquo;двухканальный raquo; и laquo;одноканальный raquo; употребляют не совсем точно и для обозначения двухчастотных приемоизмерителей с исключением ошибки и одноча-стотных без ее исключения.

По параметричности измерительного канала различают СРНС с координатными и со скоростными измерениями. К координатным относятся даль-номерные, угломерные и разностно-дальномерные системы. К скоростным принадлежат радиально-скоростные, разностно-радиально-скоростные, а также угломерно-скоростные. В зависимости от числа одновременно измеряемых параметров системы делятся на одно- и многопараметрические. Дальности и разности дальностей измеряют путем фиксации времени (разности времен) распространения огибающей простых сигналов или фазы (разности фаз) модулирующих псевдослучайных последовательностей (ПСП). Углы измеряются пеленгационным способом или большебазовым интерферометрическим способом с фазовым отсчетом. Радиальные скорости фиксируются по оценке доплеровского смещения несущих частот. В пассивных дальномерных СРНС с хранением начала отсчета бортовым опорным генератором измеряется по существу псевдодальность (отличающаяся от фактической дальности на значение, пропорциональное выявленному при обработке смещению фазы опорных колебаний). Аналогично этому в пассивных радиально-скоростных СРНС измеряется радиальная псевдоскорость, поскольку измеряемая доплеровская частота будет включать в себя фиксируемое значение смещения частоты опорных колебаний.

По характеру эфемеридного обеспечения спутниковые РНС можно делить на системы с афемеридным обеспечением по прогнозу и системы с уточнением эфемерид в навигационном сеансе. В первом случае эфемериды рассчитывают на земле по результатам траекторных измерений и ретранслируют через НИСЗ П, принимающий их в составе навигационного сигнала. При периодичности их обновления 1-2 раза в сутки П приходится пользоваться устаревшей эфемеридной информацией, что снижает точность навигационных решений. Во втором случае во время навигационного сеанса на борту НИСЗ выполняются траекторные измерения по наземным измерительным средствам, результаты которых используются для уточнения орбитальных параметров. При этом решение краевой задачи может проводиться или на борту НИСЗ (если там предусмотрена ЭВМ), или у П, который получает от НИСЗ измерительную информацию вместе с навигационным сигналом. Оборудование НИСЗ в подобных системах усложняется по сравнению с системами, работающими по прогнозу, однако точность решения навигационных задач возрастает. Построение СРНС с уточнением эфемерид в сеансе иллюстрируется на рис. 1.2 в колонке самоопределения позициями 2, 3, 6, 7, 10, 11 и 14, 15. Системы иноопределения на борту НИСЗ (варианты 17 и 18) можно также развить на случай уточнения эфемерид в навигационном сеансе, хотя допускается, чтобы такие системы были менее точными, нежели системы самоопределения.

По размерам рабочей области СРНС бывают глобальными и региональными. Глобальные системы создают радионавигационное поле над всей поверхностью Земли, используя наиболее полно возможности космической техники для глобального навигационного обеспечения П. Региональные системы, создающие радионавигационное поле на ограниченных территориях и акваториях, лучше отвечают задачам контроля координат подвижных П при организации управления ими в районах интенсивного морского или воздушного движения.

t.4. СОГЛАСОВАНИЕ НАЧАЛ ОТСЧЕТА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ И ВРЕМЕННОЙ КООРДИНАТ В ССРНС

Измеряемые навигационные параметры и определяемые параметры движения потребителя отсчитываются в различных системах пространственных координат: измерения ведутся в системе НИСЗ, в то время как результаты определений фиксируются в системах, связанных с Землей (ее центром в геоцентрической системе или с ее поверхностными точками в топоцен-трических). Необходимо приводить используемые данные к единой системе отсчета или, иными словами, согласовывать начала отсчета пространственных координат. Ввиду орбитального движения НИСЗ начала отсчета расходятся непрерывно, поэтому согласование необходимо проводить в каждом навигационном сеансе. Требование это реализуется путем снабжения П данными об эфемеридах всех НИСЗ, задаваемых в геоцентрической

системе отсчета. Одновременно считается, что к этому же началу отсчета используемые П топоцентрические системы методами высшей геодезии могут быть привязаны с требуемой точностью.

Возможны различные способы обеспечения навигаторов эфемеридной информацией [70, 117, 135]. Наиболее удобным был бы такой способ работы, когда рассчитанный заранее весь набор эфемерид на требуемый отрезок времени выдавался бы в виде таблицы, данные которой могли бы вводиться в память навигационной ЭВМ до начала движения. Но такой способ пока еще не может использоваться, так как нельзя дать прогноз с высокой точностью (-~1 м) на интервалы времени, исчисляемые неделями и даже месяцами. По необходимости применяется передача на борт П эфемеридной информации последовательными порциями. В этом варианте сам НИСЗ выступает в качестве ретранслятора эфемерид, переносимых с задержкой. Рассчитанные на Земле эфемериды сообщаются на борт НИСЗ, где закладываются в блок памяти и затем во время последующего движения НИСЗ посылаются в соответствии с текущим временем с его борта всем П, находящимся в зоне приема навигационных сигналов. Хранимые эфемериды с периодичностью, обеспечивающей учет их изменения, корректируются на основе свежих данных прогноза.

Для передачи одного эфемеридного комплекта может потребоваться до 380 дв. ед., поэтому для формирования массива эфемеридной информации на одни сутки с дискретностью 1 мин потребуется около 550-10 дв. ед. При дискретности lt;1 мин и для больших сроков прогноза объем эфемеридной информации составит миллионы дв. ед. Естественно поэтому стремление избежать закладки в память НИСЗ столь большого объема цифровой информации. К этому ведет несколько путей.

Первый, наиболее радикальный путь состоит в возложении задачи расчета эфемерид для моментов навигационных измерений непосредственно на ЭВМ П. В этом случае с Земли достаточно периодически передавать только начальные условия движения НИСЗ, а решение соответствующих уравнений его движения будет проводиться на борту П совместно с решением самой навигационной задачи. В будущем такие возможности, вероятно, и откроются, но в настоящее время далеко не все П располагают бортовыми ЭВМ с требуемыми характеристиками.

Второй путь связан с использованием для расчета эфемерид бортовой ЭВМ НИСЗ. Здесь также по начальным условиям, переданным с Земли, могут решаться уравнения движения с выдачей эфемерид на требуемые моменты времени. Правда, эти моменты теперь не будут соответствовать моментам реальных измерений, выполняемых на различных П в зоне

приема сигналов данного НИСЗ. Однако при правильно выбранной дискретности выдачи эфемерид на борту П путем интерполяции можно получать эфемериды, приведенные к моментам измерений. Понятно, что при такой схеме работы аппаратура НИСЗ существенно усложняется, что не может не сказаться на ее надежности. Вследствие этого и данный способ не предполагается реализовать в ССРНС ближайшего будущего.

Остается путь, являющийся по существу компромиссным, который предусматривает наземный расчет эфемерид с некоторой дискретностью и ретрансляцию их с задержкой через НИСЗ на борт П с последующим перерасчетом эфемерид на моменты измерений в пределах интервала дискретности. Так, в системах laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo; интервал дискретности равен 30 или 60 мин, что возлагает на ЭВМ П задачу вести краткосрочный прогноз движения НИСЗ в этих временных пределах, принимая за начальные условия эфемериды ближайшей точки.

Поскольку в сетевых СРНС измерения проводятся одновременно по нескольким НИСЗ, которые выбираются из числа НИСЗ, находящихся над радиогоризонтом, П должен располагать априорной информацией о положении и движении всех НИСЗ, входящих в систему. Для этого каждый НИСЗ наряду с собственными эфемеридами ретранслирует на П эфемериды всех остальных НИСЗ системы. Эту информацию называют эфемеридами 2-го рода, или альманахом. Эфемериды 2-го рода нужны не для собственно навигационных расчетов, а для выбора НИСЗ, поиска их и вхождения в радиосвязь, поэтому требования к их точности могут быть понижены. В связи с этим для передачи одного их комплекта предусматривают всего 180 дв. ед., гарантируя при этом действенность прогноза до 5 недель. Альманах заготовляет информацию впрок, вследствие чего может передаваться частями от кадра к кадру, распределяясь, например, в системе laquo;Глонасс raquo; по 5 последовательным кадрам сигнала, а в системе laquo;Навстар raquo; - по 25 последовательным кадрам.

Применение самоопределения НИСЗ на основе бортовых измерений по наземным и внеземным РНТ и обработки траекторией информации в спутниковой ЭВМ [70, 117] откроет новые возможности для повышения эффективности эфемерид-ной службы (см. гл. 10).

ССРНС функционирует в собственном системном времени. Все процессы в ее звеньях развертываются и фиксируются в этой временной шкале. Периодически начала отсчета местных временных шкал принудительно согласовываются с системной шкалой, синхронизируются с ней.

Необходимость взаимной синхронизации бортовых шкал се-

ти НИСЗ с высокой точностью связана с избранным способом навигационных измерений - применением пассивного дальномера с хранением начала отсчета (псевдодальномера). Поскольку по бортовой шкале П одновременно измеряются псевдодальности до нескольких НИСЗ, необходимо, чтобы временные шкалы группы используемых НИСЗ были согласованы между собой. Это достигается независимой привязкой каждой из шкал к системному времени.

При измерении псевдодальности погрешность из-за смещения временной шкалы НИСЗ непосредственно входит в погрешность измерений. Для того чтобы эта погрешность не превышала, например, 0,3 м, смещение не должно превышать 1 НС Если принять, что каждый из НИСЗ синхронизируется один раз за период обращения (12 ч), для хранения системного времени на борту НИСЗ потребуются генераторы со стабильностью 10 /43200sй2 10

Для повышения точности реализации системного времени сетью НИСЗ желательно сокращать период между последовательными синхронизациями, а также давать прогноз ухода частоты каждого из генераторов НИСЗ.

Что касается синхронизации временной шкалы П, то она проводится в сеансе навигационных определений, когда наряду с координатами и составляющими скорости П оценивается уход фазы бортового генератора относительно фазы генераторов НИСЗ.

В связи с этим можно считать, что ССРНС являются также глобальными системами единого времени. Установленная в любом пункте аппаратура П позволяет привязывать к системному времени с указанной точностью местные временные шкалы.

Системная шкала времени задается координационным центром [142], где она хранится главным синхронизатором системы. Этот наземный хранитель времени поддерживает ее с точностью более высокой, чем бортовые хранители времени каждого НИСЗ. Однако системное время может расходиться со всемирным или каким-либо региональным. Подстраивать системное время ССРНС под временную шкалу более широкого использования не требуется. Достаточно знать расхождение этих систем времени. Соответствующая поправка к системному времени может передаваться в виде постоянной величины в каждом кадре навигационного сигнала или публиковаться в специальных бюллетенях (см. гл. 10).

1.5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ССРНС

Сеть НИСЗ. Система координированно обращающихся на своих орбитах спутников может развертываться постепенно: вначале создается часть сети, обеспечивающая периодически региональное покрытие, затем по мере наращивания ее образу-