Возможности спутниковых систем навигации и связи. Глонасс и гранд навигатор.08

В типовых операциях управления ПКУ ГЛОНАСС предусмотрено использование измерений КС в запросном режиме с двумя разновидностями ДН бортовой антенной системы - всенаправленной и узкой. В первом случае точностные характеристики измерений запросной дальности находятся в пределах от сотен метров до десятков километров. Такие измерения выполняют только на первом этапе полета НС.

Определение параметров движения спутника производится по запросным измерениям дальности и радиальной скорости в два этапа. На первом этапе определяют параметры движения спутника по измерениям радиальной скорости с последующей переработкой этих измерений с использованием уточненных по ним начальных условий движения. На втором этапе вычисляют параметры движения спутника по измерениям дальности и радиальной скорости.

Параметры движения спутника на участках приведения и постановки спутника в системную точку находят на мерных интервалах продолжительностью 14 витков. Технология эфемеридного обеспечения на этапе штатной эксплуатации основана на использовании высокоточных измерений дальности КС и включает предварительную обработку измерений (расшифровка данных измерений КС с последующим устранением неоднозначности измерений дальности, калибровкой, приведением измерений к центру масс спутника для компенсации выноса бортовой антенны, учетом ионосферной и тропосферной рефракции).

Решение проблемы высокоточных определений орбит возможно при, создании высокоточных математических моделей движения и измерений, на точность которых влияют следующие факторы: геофизические, определяемые погрешностью задания системы координат и гравитационного поля Земли; геодинамические, связанные с нахождением координат полюса и неравномерности вращения Земли; а также факторы, обусловленные учетом негравитационных возмущений в модели движения.

В основе этих методов лежит понятие согласующих моделей, которые представляют собой системы геофизических параметров и параметров, определяющих математическую модель движения НС по данным обработки навигационных измерений. Такие модели не являются фундаментальными и пригодны только для конкретных орбит, и позволяют при наличии высокоточных измерений параметров движения НС и достаточно полном описании действующих на них сил уменьшить влияние погрешностей определения геофизических и геодинамических факторов на точность определения эфемерид конкретного НС за счет уточнения координат измерительных пунктов, параметров гравитационного поля Земли, параметров вращения Земли и включения координат КС и других параметров согласующей модели в состав расширенного вектора состояний НС.

При решении задач определения и прогнозирования движения спутника эфемериды рассчитывают путем численного интегрирования дифференциальных уравнений движения комбинированным методом Рунге - Кутта и Адамса в координатной системе, заданной средним экватором и равноденствием эпохи начала бесселева года (в 1975 г). В правых частях дифференциальных уравнений учитываются основные возмущающие силы. Гравитационное поле Земли представлено разложением в ряд по сферическим функциям до гармоник степени и порядка 8 включительно. При моделировании расчетных аналогов измерений учитываются уходы полюса и поправки ко времени за счет неравномерности вращения Земли.

При выводе спутника из системы требование к точности нахождения параметров движения определяются исходя из необходимости надежного вхождения в связь со спутником. В этом случае параметры движения спутника определяют на мерных интервалах длительностью не менее четырех витков не реже одного раза в месяц. В состав уточняемых параметров при этом включаются только кинематические.

В соответствии с целевым назначением система ГЛОНАСС имеет в своем составе подсистему КА (навигационных спутников), которая представляет собой орбитальную группировку из 24 спутников. Спутники, излучая непрерывные радионавигационные сигналы, формируют в совокупности сплошное радионавигационное поле на поверхности Земли и в околоземном пространстве, которое используется для навигационных определений различными потребителями.

Структура сети спутников такова, что в каждой точке земной поверхности и околоземного пространства в любой момент времени находится одновременно не менее четырех спутников, взаимное расположение и качество сигналов которых обеспечивает ему возможность координатно-временных измерений с заданными характеристиками. Требование по количественному составу орбитальной группировки основывается на том, что заданные точностные характеристики навигационного обеспечения могут быть получены в системе ГЛОНАСС при наличии в орбитальной группировке, например, 21 спутника (по семь спутников в каждой орбитальной плоскости), а остальные обеспечивают "горячий" резерв и высокую устойчивость системы.

Спутники ГЛОНАСС размещаются на трех практически круговых орбитах. Высота каждой орбиты составляет 18 840... 19 440 км (номинальное значение составляет 19 100 км), что позволяет отнести ГЛОНАСС к среднеорбитальным СРНС.

Таким образом, орбитальная группировка спутников ГЛОНАСС с несинхронными почти круговыми орбитами более стабильна по сравнению с группировкой спутников СР5 с синхронными 12-тичасовыми орбитами.

Рассмотренная структура орбитальной группировки позволяет обеспечить практически непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства (включая ближний космос) навигационным полем с заданными характеристиками.

В отличие от сигнала стандартной точности системы GPS в системе ГЛОНАСС не предусматривается его принудительного загрубления, хотя иногда и используется применительно к нему обозначение ПТ-сигнал (сигнал пониженной точности). Однако имеющиеся более низкие по сравнению с ВТ-сигналом характеристики точности можно отнести к этапу выбора параметров сигнала при разработке системы и не связаны с политикой поставщиков нави рационного обслуживания в системе ГЛОНАСС на этапе ее эксплуатации. В связи с этим всем пользователям ГЛОНАСС доступны измерения координат местоположения и скорости с беспрецедентно высокой (даже по отношению к открытому каналу системы GPS) точностью. В дальнейшем более подробно рассматривается структура и характеристики СТ-сигнала, передаваемого в диапазоне L1.

Контроль целостности радионавигационного поля СРНС заключается в контроле качества излучаемых НС системы навигационных радиосигналов и качества передаваемой ими служебной информации с целью поддержания высокой достоверности навигационных измерений и/или предупреждения потребителей о состоянии системы. Известны несколько способов контроля целостности.

Самоконтроль бортовых систем НС. На спутниках системы ГЛОНАСС осуществляется непрерывный автономный контроль (самоконтроль) функционирования основных бортовых систем. При обнаружении непарируемых нарушений нормального функционирования этих систем, влияющих на качество излучаемого спутником навигационного радиосигнала и достоверность передаваемого навигационного сообщения, на спутнике формируется признак его неисправности, который передается потребителю системы в составе оперативной информации навигационного сообщения. Дискретность передачи такого признака составляет 30 с. Максимальная задержка от момента обнаружения неисправности до момента передачи соответствующего признака не превышает 1 мин. В дальнейшем планируется уменьшить это время до 10 с.

Недостатки этого канала контроля заключаются в его неполноте, например, средства самоконтроля рассчитаны на обнаружение не всех возможных нарушений в работе каждой бортовой системы НС; неисправности самих средств контроля не обнаруживаются и не сопровождаются передачей соответствующего сообщения потребителям; искажение эфемерид не может быть обнаружено на самом НС и т.д.

Наземный контроль. Качество навигационного поля ГЛОНАСС контролируется и специальной аппаратурой из состава ПКУ - аппаратурой контроля поля (АКП). После соответствующего отказа бортовой аппаратуры спутника АКП обеспечивает формирование признака его неисправности в альманахах системы всех НС не позднее, чем через 16 ч. Дискретность передачи данного признака в служебных сообщениях НС ГЛОНАСС составляет 2,5 мин.

Однако, оба указанных метода контроля целостности навигационного ноля ГЛОНАСС не обеспечивают требуемой полноты проверок и своевременности оповещения потребителей.

На борту спутника находятся: бортовой навигационный передатчик (БНП); хронизатор (БХ); управляющий комплекс (УК); системы ориентации и стабилизации (СО), коррекции, электропитания; терморегулирования; бортовые средства заправки и обеспечения среды; элементы конструкции и кабельная сеть.

Для обеспечения надежности основные системы навигационного спутника дублируются. Рассмотрим основные элементы бортовой аппаратуры НС ГЛОНАСС.

Аппаратура потребителей (приемоиндикаторы СРНС) предназначена для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров в результате приема и обработки радиосигналов, принятых от НС.

На вход ПИ поступают сигналы от НС, находящихся в зоне радиовидимости.

Современные ПИ являются аналого-цифровыми системами, сочетающими аналоговую и цифровую обработку сигналов. Переход на цифровую обработку осуществляется на одной из промежуточных частот, при этом имеет место тенденция к повышению этой промежуточной частоты.

Так как приемоиндикаторы СРНС имеют множество возможных применений (наземное, авиационное, морское, космическое и др.), то при их разработке необходимо основываться на создании унифицированных узлов с минимальной номенклатурой, из которых в дальнейшем можно конструировать ПИ различного применения.

В качестве антенны можно использовать микрополосковую антенну (МПА), что обусловлено ее малой массой и габаритными размерами, простотой изготовления и дешевизной. Микрополосковая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком: нижний проводящий слой является заземленной плоскостью, верхний - собственно излучателем антенны. По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсом, пятиугольником и т.д. Антенна рассчитывается для работы на низшей резонансной моде, которая излучается в основном в верхнюю полусферу (в направлении вертикальной оси). Микрополосковая антенна имеет ДН, обеспечивающую всенаправленный прием сигналов правосторонней круговой поляризации в верхней полусфере.

Приемник является многоканальным устройством, в котором, как отмечалось выше, проводится аналоговое усиление сигналов, фильтрация и преобразование частоты несущей сингалов НС (понижение частоты), а также преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Так как в ГЛОНАСС сигнал от каждого спутников имеет свою несущую частоту, то каждый канал должен быть настроен на частоту сигнала одного из НС и селектировать частоты сигналов других НС.

2.2 Особенности  использования Глонасс на транспорте

Проблема автоматизации управления движением наземных транспортных средств возникла в начале XX века вместе с развитием железнодорожного и автомобильного транспорта. Наибольшего развития автоматизированные системы управления движением получили на железнодорожном транспорте на основе релейной автоматики УКВ-радиосвязи.

В 70-х годах вопрос об автоматизации управления движением автомобильного транспорта в связи с массовым развитием дорожного движения в промышленно развитых странах встал особенно остро. Поэтому на мировом рынке появились системы управления автотранспортом на основе локальных систем местонахождения объектов и автомобильных УКВ-радиостанций.

Принципиально новые возможности для создания автоматизированных систем управления транспортными потоками в масштабах городов, регионов и даже континентов появились в 80-х годах в связи с развитием радиосистем дальней навигации и дальней радиосвязи: импульсно-фазовых и фазовых радионавигационных систем, систем метеорной радиосвязи и, в особенности, спутниковых РНС и спутниковых систем радиосвязи.