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

короткий интервал времени, кроме передачи измерительного сигнала, осуществляет также прием результатов квазидально-мерных измерений, проводимых другими НИСЗ. Полученные данные позволяют определить уходы ШВ НИСЗ относительно собственной шкалы.

Рассмотрим два НИСЗ, проводящие взаимные временные определения. Обозначим Tij результат измерения квазидальности, полученный i-M НИСЗ по сигналу у-го спутника. Тогда в результате обмена информацией имеем

где Л , rji - расстояние между НИСЗ в момент измерения квазидальности соответственно г-м и у-м НИСЗ; 6,7 - уход ШВ i-ro НИСЗ относительно шкалы у-го спутника; с - скорость света. Если цикл взаимных измерений достаточно короткий, то гцг, и btii=-6tji.

Вычитая т/, из т , получаем

Таким образом, каждый НИСЗ после выполнения аналогичных операций определяет уход собственной шкалы относительно шкалы другого НИСЗ. Взаимные измерения могут проводиться либо всеми НИСЗ по одному laquo;ведущему raquo; спутнику, либо между всеми спутниками созвездия взаимно. В первом случае все НИСЗ определяют уход собственной шкалы относительно ШВ laquo;ведущего raquo; КА, и тогда эта ШВ может быть принята за системную, во втором - каждый НИСЗ определяет уход своей шкалы путем усреднения результатов, полученных по взаимным измерениям до всех остальных спутников созвездия, и на этой основе корректирует свою ШВ, так что разброс ШВ всех НИСЗ оказывается минимальным.

Полученную в результате взаимного обмена информацию можно использовать и для определения расстояний между спутниками

r,7 = rji = c(Tij-f Tj,)/2.

Найденные значения дальностей позволяют уточнить эфемериды НИСЗ. С помощью такого метода эфемеридно-временного обеспечения НИСЗ можно не только увеличить время автономной работы системы, но и повысить точностные характеристики системы.

При таком методе синхронизации временных шкал сети НИСЗ для организации взаимных измерений и обмена результатами измерений необходимо установить на борту НИСЗ соответствую-

щие радиотехнические средства и дополнительно использовать не менее 1 % вычислительных ресурсов бортовой ЭВМ [197]. Основным недостатком данного метода является возможность ухудшения точности эфемеридно-временного обеспечения НИСЗ системы при нарушении функционирования одного из НИСЗ.

Сочетание неавтономного и автономного методов синхронизации ШВ позволит устранить недостатки, присущие каждому из них в отдельности.

ГЛАВА 12

ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕТЕВЫХ СПУТНИКОВЫХ РНС

12.1. ПРИМЕНЕНИЕ ССРНС - ОСНОВА КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Развитие радионавигационных средств на протяжении всей истории их существования неизменно стимулировалось расширением области применения и усложнением задач, возлагавшихся на них, и прежде всего ростом требований к их дальности действия и точности. Если в первые десятилетия радионавигационные системы обслуживали морские корабли и самолеты, то затем состав их потребителей значительно расширился и в настоящее время охватывает все категории подвижных объектов, принадлежащих различным ведомствам. Если для первых РНС амплитудных радиомаяков и радиопеленгаторов - была достаточна дальность действия в несколько сотен километров, то затем постепенно требования к дальности возросли до 1...2,5 тыс. км (для внутриконтинентальной навигации), до 8... 10 тыс. км (для межконтитентальной навигации) и, наконец, превратились в требования глобального навигационного обеспечения. Что касается точности, то поначалу устраивала точность в несколько километров, затем оказалось возможным реализовать точности в сотни метров и, наконец, с появлением технических возможностей для создания сетевых СРНС удалось удовлетворить требованиям на уровне десятка метров. Но требования продолжают ужесточаться, возникает необходимость в дециметровых и сантиметровых точностях, которые можно обеспечить, совершенствуя сетевые СРНС и применяя в них дифференциальный режим работы.

К настоящему времени в арсенале радионавигационной техники скопилось немало РНС, отличающихся между собой дальностью действия и точностью, что предопределяет различие их в принципах действия. Средства ближней навигации (РСБН) в диапазоне УКВ используют импульсные дальномеры и фазовые или частотные угломерные устройства на примерах системы laquo;ВОР raquo;, laquo;ДМЕ raquo;, laquo;РСБН raquo;. Из средств дальней радионавигации

(РСДН) можно отметить длинноволновые laquo;Чайку raquo; и laquo;Лоран-С raquo;, работающие в импульсно-фазовом режиме, и сверхдлинноволновые laquo;Омегу raquo; и laquo;РСДН-20 raquo; с фазовыми измерениями. Находят также применение амплитудные многоленестковые радиомаяки типа laquo;ВРМ-5 raquo; и laquo;Консол raquo;. Низкоорбитные спутниковые РНС laquo;Цикада raquo; и laquo;Транзит raquo;, основанные на доплеровских (частотных) измерениях, широко обеспечивают кораблевождение. Наконец, находятся в стадии интенсивного развертывания средне-орбитные сетевые СРНС laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo;, обладающие самыми высокими показателями: глобальностью, высокой точностью, непрерывным обслуживанием неограниченного числа потребителей. Возникает естественный вопрос: по какому пути пойдет дальнейшее развитие радионавигационной техники и какое место займут сетевые СРНС?

Общая схема дальнейшего развития средств навигационно-временного обеспечения может представляться в следующем виде. Сетевые СРНС laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo; к 1995 гг. должны быть развернуты до полного состава своих сетей НИСЗ. При этом внедрение дифференциального режима навигационных определений повысит точность местоопределения, а возможная реализация угловых измерений по сигналам спутников расширит область их применения на определение ориентирных направлений. Должна существенно возрасти эксплуатационная надежность этих систем, в частности, за счет автоматизации процессов выработки эфемеридной информации и синхронизации ШВ сети НИСЗ. Значимость наземных разностно-дальномерных РНС длинноволнового и сверхдлинноволнового диапазонов (при импульсно-фазовых и фазовых измерениях) заметно снизится. Системы эти сохранятся в основном как дублирующие средства. Правда, сверхлинноволновые ФРНС по-прежнему останутся единственными системами, сигналы которых можно принимать под слоем воды (льда).

Наряду с глобальным использованием наиболее универсальных РНС laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo; могут найти развитие высокоточные РНС локального действия, работающие в пределах прямой видимости. Они будут дополнять сетевые СРНС в тех районах, где в глобальном навигационном поле обнаружатся зоны недостаточной точности.

Синхронизация излучения всех радионавигационных средств с помощью сигналов СЕВ будет способна объединить частные радионавигационные поля в Единое радионавигационное поле, что позволит более гибко предоставлять навигационно-временное обеспечение различным потребителям в необходимых районах.

Важно подчеркнуть, что основу Единого поля составит глобальное поле сетевых СРНС, которое при успешном развитии международного сотрудничества будет образовано полями обеих систем laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo;. В бортовой аппаратуре навига-

ционно-временного обеспечения подвижных объектов, создаваемой в виде комплексов соответствующих средств, 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 РНС.

12.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ, ИХ ПРОИЗВОДНЫХ И НАВИГАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАЗЕМНЫХ И ПРИЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Сетевые спутниковые РНС разрабатывались прежде всего для обеспечения навигационных потребностей таких подвижных объектов, как самолеты и корабли. Их основная задача - определение координат, производных от координат и навигационных элементов движения.

Обратим внимание на то, что текущие координаты навигационных ИСЗ задаются в геоцентрической прямоугольной системе координат, а по результатам навигационных измерений положение объекта привязывается к ИСЗ, поэтому наиболее естественно определять искомые координаты именно в той же геоцентрической прямоугольной системе. Так собственно и формулируется первичная координатная задача. В то же время потребителей интересуют иные координаты - те, которыми они пользуются в процессе практической навигации: географические, прямоугольные Гаусса-Крюгера, ортодромические, относительные и т. п. И АП должна иметь возможность выдавать координаты в любой необходимой форме.

В соответствии с этим матобеспечение АП должно строиться так, чтобы после решения первичной координатной задачи решалась задача преобразования координат в удобную для применения систему. Поэтому составляющие скорости первично рассчитываются по направлениям осей геоцентрической системы, а затем пересчитываются в составляющие, ориентированные по осям местных (топоцентрических) координатных систем, удобных для штурманских расчетов.

Кроме того, для самолето- или кораблевождения штурманам нужно располагать рядом вспомогательных величин, облегчающих процесс управления движением. К ним относятся: отклонение

от линии заданного пути (угловое или линейное), путевая скорость, угол сноса (ветром или течением), оставшееся расстояние и время движения до очередного поворотного пункта маршрута или пункта прибытия, угловое положение относительно выделенных ориентиров и т. п. Сюда же примыкают некоторые коммерческие показатели, связанные с режимом движения и способные влиять на выбор этого режима. Определяются эти величины в результате решения соответствующих сервисных задач, что предусматривается матобеспечением АП (подробнее см. в гл. 22).

12.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНЫХ КА

В связи с развитием космического землеведения околоземные КА широко привлекаются для метеонаблюдений, гидрологических исследований, изучения геологических процессов, для сельскохозяйственного и лесоводческого анализа. Собираемую информацию необходимо привязывать по координатам, и требования к точности такой привязки неизменно возрастают. Это, естественно, приводит к необходимости совершенствовать бортовой навигационный комплекс КА. Одним из путей повышения точности и оперативности навигационных определений околоземных КА является применение бортовых измерений по сети НИСЗ [70].

В определении параметров движения по навигационным ИСЗ заинтересованы не только экипажи долговременных орбитальных станций типа laquo;Скайлэб raquo;, но и штурманы транспортных космических кораблей многоразового действия типа laquo;Спейс шаттл raquo; [196]. На борту этих КА будет установлена АП ССРНС laquo;Навстар raquo;, которая обеспечивает высокоточное определение координат и скорости КА как в орбитальном режиме, так и при маневрировании. В такой же АП нуждается laquo;Буран raquo;.

Навигационные определения околоземных КА по сети НИСЗ имеют свои особенности по сравнению с другими видами П. По отношению к приземным П КА отличаются большей детерминированностью их движения на длительных временньр( интервалах полета. Траектория их движения в пассивном полете представляется возмущенной кеплеровской орбитой со специфическим составом характерных для нее возмущений. Зависимость точности определения параметров орбитального движения от продолжительности интервала измерений приводит к новой задаче организации измерений на интервале навигационного сеанса. В то же время определение положения КА по сетевой СРНС имеет особенность по сравнению с определением орбиты средствами наземного КИК, заключающуюся в возникающей в данном случае новой возможности непрерывных многопараметрических измерений, позволяющих в каждый момент определять положение и скорость КА с высокой степенью точности.

в качестве простейшей модели орбитального движения КА можно принять круговую орбиту. При этом, разумеется, оказываются неучтенными некоторые возмущения, порождающие систематические погрешности. Вид систематических погрешностей описания орбиты в значительной степени определяется ее параметрами, а также числом учитываемых возмущающих факторов и требуемой точностью аппроксимации. Наиболее существенными иа длинных интервалах будут возмущения, содержащие вековые члены.

Важным вопросом является выбор критерия оптимизации определения параметров движения. В качестве такого может быть принят критерий точности прогнозирования движения НИСЗ на достаточно продолжительном интервале времени (несколько витков). Можно показать, что в этом случае порядок погрешности прогноза будет определяться вековым членом в аргументе широты (26]Ат~ - 3?ь(Аро-Ь Ачто /пср), где Ат - возмущение в положении КА, обусловленное погрешностями оценки начальных значений геоцентрического радиуса Дро и скорости по касательной к орбите Ди,о; Пср - угловая скорость КА; л - долгота в орбите.

Поэтому особенно важно требование повышенной точности определения критического параметра в виде суммы Дро--Ато/пср.

В общем случае выбор полного состава оцениваемых параметров диктуется условиями конкретной задачи и может значительно различаться. Здесь опишем лишь самую простую ситуацию, когда вектор оцениваемых параметров включает только уточненные компоненты положения и скорости НИСЗ на некоторый момент времени. Простейшим и одновременно основным будет случай полной наблюдаемости движения, имеющий место, например, при определении КА по сетевой СРНС, позволяющий получать засечки положения и скорости в фиксированные моменты времени. Возникающая здесь задача сводится к нахождению целесообразной организации измерений на интервале наблюдения для получения наилучшей точности наиболее критичного из параметров.

Условие полной наблюдаемости позволяет получить в явном виде выражения для корреляционной матрицы погрешностей оцениваемых параметров и их систематических погрешностей. Исследование этих выражений показывает пути реализации оптимальной стратегии измерений. Так, если погрешности засечки внешнеплоскостных параметров по положению Ог и по скорости равноточны: а = ау/пср, то достижение наилучшей их оценки по шумовой погрешности требует большого объема практически одномоментных измерений. Их число находится из условия согласования точности определения по шумовой и систематической погрешностям. В случае неравноточности оценок бокового уклонения КА по положению и по скорости оптимизация точности оценок внешнеплоскостных параметров приводит к необходимости выполнять две серии практических одномоментных измерений наиболее точного из навигационных параметров (НП). При этом из-за увеличения систематических погрешностей оценок с ростом продолжительности интервала наблюдения последний должен иметь наименьшее из возможных его значений. Эта величина в рассматриваемом случае будет равна четверти периода обращения КА.

При определении оптимальной стратегии измерений внутриплоскостных параметров орбиты главную роль также играет компромисс между шумовой и систематической составляющими погрешностей оценки. Следует подчеркнуть, что влияние погрешностей будет различным в зависимости от того, производится ли оценка параметров движения на середину интервала измерений или на момент последнего измерения. Для симметричного мерного интервала максимальная точность оценки критического параметра достигается при измерениях, взятых через половину периода обращения КА. При этом при ограничении на число выполняемых измерений следует группировать измерения на концах мерного интервала максимальной продолжительности. Оптимальная длительность мерного интервала выбирается из условия равенства на нем шумовой и систематической погрешностей оценки критического параметра, поскольку для него справедлива общая закономерность, в силу которой с увеличением продолжи-