Спутниковые системы навигации GPS и Глонасс

Коэффициент направленности G(j ) передающих антенн в рабочем секторе направлений j £ 19° относительно оси антенны составляет

j , угл.град.	0°	15°	19°
G(j ),дБ (1600 МГц)	10	12	8
G(j ),дБ (1250 МГц)	9	11	9

 

 

В качестве “стандартной” приемной антенны удобно рассматривать изотропную приемную антенну с круговой поляризацией, G₀(b ) = 1.

Дальность R от приемной антенны, размещенной  на поверхности Земли, до околозенитного (b  = 90° ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного (b =5° ) НКА составит R = 24000 км.

Бюджет мощности P₀ узкополосных навигационных радиосигналов на выходе “стандартной” приемной антенны:

	1600 МГц		1250 МГц
b , угл. град.	90°	5°	90°	5°
Pп, дБ Вт	+ 1 5 ± 1		+ 9 ± 1
G(j ), дБ	+10	+12	+9	+11
(l ¤ 4 p R)2, дБ	- 182	- 184	- 180	- 182
G0(b ), дБ	0		0
P0, дБ	- 157± 1	- 157± 1	- 162± 1	- 162± 1

Отметим, что мощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземным потребителем с помощью изотропной антенны, одинакова для околозенитного и пригоризонтного НКА.

 

 

 

Структура сигнала ГЛОНАСС

• грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);
• последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 6а);
• меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 6б).

 

  Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура не раскрывается.

Для навигационных радиосигналов  ЦИ 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 с МВ) 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 кода Хемминга, 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 t_k;
• эфемеридную информацию ¾ координаты и производные координат НКА в прямоугольной 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 БШВ НКА;
• время t₀.

Время t₀, к которому “привязаны” ЭИ и ЧВП, кратны 30 мин от начала суток.

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 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). 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.

В системе НАВСТАР ЦИ в узкополосных навигационных радиосигналах структурирована следующим образом: строка имеет длительность 6 c, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр ¾ 25 кадров (12,5 мин).

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 НАВСТАР (12,5 мин)

 

Навигационные измерения в многоканальной НАП 

 

Рассмотрим многоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначенную  для глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемная антенна.

В каждом канале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналом  принимается ЦИ и ежесекундно  измеряются два навигационных параметра ¾  псевдодальность и радиальная псевдоскорость.

Псевдодальность от объекта до НКА  измеряется в НАП посредством  измерения сдвига принимаемой ПСП1 относительно опорного сигнала в  НАП. Радиальная псевдоскорость объекта  относительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частоты принимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигнала в НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.

Результаты измерений псевдодальностей S_k(t) не менее, чем для четырех выбранных НКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можно выразить следующим образом : 

S_k(t)=R_k(t)+ct 0(t)+cd t _k(t)+d S_k(t), 

где R_k(t) ¾ дальность от объекта до НКА; с ¾ скорость света; t 0 (t) ¾ сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; d t _k(t) ¾  погрешность ЧВП; d S_k(t) ¾  погрешность измерений в НАП.

В двухдиапазонной НАП навигационные  измерения псевдодальностей на двух несущих частотах ¦ _в" 1600 МГц и ¦ _н" 1250 МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом. Обозначим S₀(t) ¾  измеренная псевдодальность без ионосферных погрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов

S_в(t)=S₀(t)+А/¦

; S_н(t)= S₀(t)+А/¦ , 

где А/¦ ² ¾  ионосферная погрешность измерения псевдодальности, то алгоритм получения объединенного результата S₀(t), в котором исключены ионосферные погрешности будет следующим: 

S₀(t)=

S_в(t)- S_н(t); m=¦ _н /¦ _в=7/9. 

Погрешность двухдиапазонного измерения  псевдодальности можно оценить следующим образом:

d S₀ =

d S_в - d S_н = 2,53d S_в - 1,53d S_н . 

В сеансе навигации результаты измерений  в НАП псевдодальностей относительно не менее четырех НКА, выбранных  для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных  НКА позволяют определить три  координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала) относительно ШВ системы.

Задача настоящего раздела ¾ оценить погрешность измерения псевдодальностей в многоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов. Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальной НАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера (в однодиапазонной НАП).

При оценке погрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входе приемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1 применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейного участка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.

Шумовую погрешность s  (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можно оценить следующим образом: 

s (S) =

, 

где c ¾  скорость света; F₁ ¾  тактовая частота ПСП1; P_c /g_ш ¾  энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала на входе приемника; k ¾  ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k ~ 1,5); T₀ ¾  интервал осреднения (накопления) измерений.

Энергетические потенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП с  широконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]:

	b =90°	b =5°
1600 МГц	+47...49	+39...44
1250 МГц	+43...45	+34...39

и соответственно шумовые погрешности  однодиапазонных измерений при  осреднении T₀ = 1с составят [м]:

	b = 9 0 °	b = 5 °
s (Sв) 1600 МГц	1,7...2,1	3,3...6,0
s (Sн) 1250 МГц	3,0...4,0	5,9...10,5

Шумовую погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности найдем следующим образом: 

s (S₀)={[2,53s (S_в)]²+[1,53s (S_н)]²}^1/2 ; 

и соответственно получим при T₀=1c

s (S₀)=

Навигационный радиосигнал от пригоризонтного  НКА может приходить к наземному  подвижному объекту не только прямым путем но и за счет зеркального  отражения от земной поверхности (многолучевость). Отраженный радиосигнал приходит к объекту с направления ниже местного горизонта, и при зеркальном отражении изменяется на противоположное направление круговой поляризации радиосигнала. С учетом данного обстоятельства и за счет пространственной избирательности приемной антенны мощность отраженного радиосигнала P_c2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала P_c1 на входе приемника.

Погрешность измерения псевдодальности  до пригоризонтного НКА, обусловленная  многолучевостью при использовании  узкополосного навигационного радиосигнала, будет максимальна в худшей ситуации, когда задержка D t отраженного радиосигнала относительно прямого радиосигнала на входе приемника будет равна D t=1/2F₁, где F₁ ¾  тактовая частота ПСП1. При D t< < 1/2F₁, и при D t> 3/2F₁ погрешность будет много меньше, чем в худшей ситуации. При T₀=1 c погрешность псевдодальности до пригоризонтного НКА из-за многолучевости в худшей ситуации для узкополосных навигационных радиосигналов будет равна 

s (S)=

. 

Подставляя P_c2/P_c1= - (30...32) дБ, получим s (S)= 3,0 м, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Следовательно, при двухдиапазонных измерениях (1600 МГц, 1250 МГц) и T₀ =1 c получим:

s (S₀)=

s (S)=9,0м. 

В тропосфере скорость распространения  радиоволны равна c=c₀/n(h), где с_0¾ скорость распространения света в вакууме; n(h)¾ коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)> 1 .

Тропосферную погрешность беззапросного измерения дальности (псевдодальности) для НКА при углах возвышения НКА b ³ 5 ° можно найти следующим образом: 

D R(b )=

 

В НАП тропосферные погрешности  компенсируются расчетными поправками. Если рассчитывать тропосферные поправки для средних параметров тропосферы (глобально), то их погрешность s (D R) составит 10% от величины поправки D R(b ).

Для оценки погрешностей можно воспользоваться  простой экспоненциальной моделью  тропосферы: 

D n(h) = D n(0) e^-h/а; 

и, подставив средние значения D n(0)=3× 10^-4, a=8 км, получим:

b , угл.град..........................	90°	10°	5°
D R(b ), м.............................	2,5	15	30
s (D R), м.............................	0,25	1,5	3,0

Проведем оценку ионосферных погрешностей измерения псевдодальности в однодиапазонной НАП (1600 МГц). Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах от 300 до 400 электронная концентрация в ионосфере максимальна и выше с увеличением высоты уменьшается приблизительно экспоненциально и на высоте 900 км электронная концентрация в ионосфере составляет приблизительно 10% от максимальной.

Групповая скорость радиосигнала в  ионосфере равна с = с₀n(h), где с₀ ¾  скорость света в вакууме, n(h) ¾  коэффициент преломления ионосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)<1. Коэффициент преломления в ионосфере n(h) зависит от частоты радиосигнала и для частоты радиосигнала f >100 МГц можно воспользоваться равенством: 

D n(h) = 1-n(h) = 40,3 N(h) / f ², 

где N(h) ¾  электронная концентрация ионосферы на высоте h [эл/см³]; f-несущая частота радиосигнала [кГц].

Проведем оценку ионосферных погрешностей беззапросного измерения дальности (псевдодальности) до околозенитного и  пригоризонтного НКА.

Ионосферную погрешность при вертикальном прохождении радиолуча к наземному объекту от зенитного НКА можно оценить следующим образом: 

d  R₁=

 

Вертикальный профиль величины D n(h) в зависимости от высоты можно представить в виде:

1. при h £  h₁=100 км D n(h) = 0 ;
2. при  h_1 £  h £  h₂ = 300 км D n(h) линейно возрастает до D n_m , где D n_m ¾  максимальное значение D n(h) ;
3. при  h_2 £  h £  h₃ = 400 км D n(h) = D n_m ;
4. при h ³  h₃ = 400 км D n(h) = D n_m e