Реферат: Спутниковая система ГЛОНАСС
Содержание
1. Историческиесведения…………………………………….………..3
2. Структура спутниковыхрадионавигационных систем…………6
2.1. Подсистема космическихаппаратов………………………………7
2.2. Наземныйкомандно-измерительный комплекс………………….8
2.3. Навигационная аппаратурапотребителей СРНС………..………9
2.4. Взаимодействие подсистемСРНС в процессе определения
текущих координат спутников…………………………………..………9
3. Основные навигационныехарактеристики НС…………….……10
4. Решение навигационнойзадачи……………………………………..13
5. СРНСГЛОНАСС………………………………………………………14
5.1. Структура и основныехарактеристики……………………………14
5.2. Назначение и составподсистемы контроля и управления……..16
5.2.1. Центр управлениясистемой……………………………………..16
5.2.2. Контрольныестанции…………………………………………….17
5.2.3. Эфемеридноеобеспечение………………………………………..18
5.2.4. Особенности формированияэфемеридной
информации в ГЛОНАСС……………………………………………….18
ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………..19
1. Исторические сведения
Развитие отечественной спутниковойрадионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнююисторию, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственногоспутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этогоИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определитьпараметры движения этого спутника.
Обратная задача была очевидной: по измерениям того жедоплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пунктанаблюдения.
Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развитыв процессе выполнения исследований по теме «Спутник» (1958—1959 гг.).Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационныхопределений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения инезависимости от погодных условий.
Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. копытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальнойсистемой, получившей в дальнейшем название «Цикада».
В 1979 г. была сдана в эксплуатациюнавигационная система 1-го поколения «Цикада» в составе 4-хнавигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000км,наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора.Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить врадиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места припродолжительности навигационного сеанса до 5… 6 мин.
В ходе испытаний было установлено, что основнойвклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемыхспутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются наспутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованиембортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчикамисистемы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точностиопределения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.
Была отработана специальная схемапроведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления,разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.
Проведены работы по уточнению координат измерительных средстви вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначеннойспециально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. Врезультате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственныхэфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее времяна интервале суточного прогноза величину » 70… 80 м, а среднеквадратическая погрешность определенияморскими судами своего местоположения уменьшилась до 80… 100 м.
Для оснащения широкого класса морских потребителейразработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторнойаппаратуры «Шхуна» и «Челн». В дальнейшем спутники системы«Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратуройобнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальнымирадиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Этисигналы принимаются спутниками системы «Цикада» и ретранслируются наспециальные наземные станции, где производится вычисление точных координатаварийных объектов (судов, самолетов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствиеспутники «Цикада» образуют системы «Коспас». Совместно самерикано-франко-канадской системой «Сарсат» они образуют единуюслужбу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенныхжизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационныхсистем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковойнавигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационнойсистемы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации,морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.
Выполнить требования всех указанных классов потребителейнизкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения,не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечиватьпотребителю в любой момент времени возможность определять три пространственныекоординаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трехпространственных координат беззапросным методом требуется проведение измеренийнавигационного параметра не менее чем до четырех спутников, при этомодновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет ирасхождение собственных часов относительно шкалы времени спутниковой системы.
Исходя из принципа навигационных определений, выбранаструктура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любоймомент времени радиовидимость потребителей, находящимся в любой точке Земли, неменее четырех спутников, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельствоограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшееувеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и куменьшению необходимого количества спутников в системе). Для гарантированнойвидимости потребителем не менее четырех спутников, их количество в системедолжно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышенияточности определения собственных координат и скорости потребителя путемпредоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки,обеспечивающей наивысшую точность.
Одной из центральных проблем создания спутниковойсистемы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно понескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкалвремени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекуд), посколькурассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызываетдополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10…15 м.
Решение задачи высокоточнойсинхронизации бортовых шкал времен потребовало установки на спутникахвысокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительнойнестабильностью 1•1013 и наземного водородного стандарта с относительнойнестабильностью 1×1014, а также создания наземных средств сличенияшкал с погрешностью 3… 5 нс.
С помощью этих средств и специальногоматематического обеспечения производится определение расхождений бортовых шкалвремени с наземной шкалой и их прогнозирование для каждого спутника системы.Результат прогноза в виде поправок к спутниковым часам относительно наземныхзакладываются на соответствующие спутники и передаются ими в составе цифровойинформации навигационного сигнала. Потребителями таким образом устанавливаетсяединая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системыне превышает 15… 20 нс.
Второй проблемой созданиявысокоорбитальной навигационной систем является высокоточное определение ипрогнозирование параметров орбит навигационных спутников.
Достижение необходимой точностиэфемерид навигационных спутнике потребовало проведения большого объема работ поучету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерностьвращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник вполете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установокгазоотделением материалов покрытий.
Для экспериментального определенияпараметров геопотенциала на орбиты навигационных спутников были запущены двапассивных ИЗС «Эталон (»Космос-1989" и «Космос-2024»),предназначенных для измерения параметров их движения высокоточнымиквантово-оптическими измерительным средствами. Благодаря этим работам достигнутаяв настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30ч составляет: вдоль орбиты — 20 м; по бинормали к орбите — 10 м; повысоте 5 м (СКО).
Летные испытания высокоорбитальной отечественнойнавигационной
системы, получившей название ГЛОНАСС,были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника «Космос-1413»..."
В 1995 г. было завершеноразвертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 НС). В настоящее времяпредпринимаются большие усилия по поддержанию группировки.
Разработаны самолетнаяаппаратура АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морскаяаппаратура «Шкипер» и «Репер» (РНИИ КП) и др.
Основным заказчиком иответственным за испытания и управление системами являются Военно-космическиесилы РФ.
В рассматриваемый периодвремени в США также проведены интенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамкахсоздания первого поколения атомных ракетных подводных лодок«Полярис» была создана система «Транзит» (аналог СРНС«Цикада»), введенная в строй в 1964 г.
В начале 70-х годовначаты работы по созданию СРНС второго поколения — ОР5/«Навстар»(аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационнаясистема GPS полностью развернута в 1993 г.
В соответствии сПостановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. основными направлениямидальнейших работ являются:
· модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутникаГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять лет«и более вместо трехв настоящее время) и более высокими техническими характеристиками, чтопозволит повысить надежность и точность системы в целом;
· внедрениетехнологии спутниковой навигации в отечественную экономику, науку и технику, атакже создание нового поколения навигационной аппаратуры потребителей, станцийдифференциальных поправок и контроля целостности;
· разработка и реализация концепции российской широкозоннойдифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры Военно-космических сил еевзаимодействия с ведомственными региональными и локальными дифференциальнымиподсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;
· развитиесотрудничества с различными международными и зарубежными организациями ифирмами в области расширения использования возможностей навигационной системыГЛОНАСС для широкого круга потребителей;
· решение вопросов,связанных с использованием совместных навигационных полей систем ГЛОНАСС и GPSв интересах широкого круга потребителей мирового сообщества: поиск единыхподходов к предоставлен услуг мировому сообществу со стороны космическихнавигационных систем, согласование опорных систем координат и системных шкалвремени; выработка мер по недопущению использования возможностей космическихнавигационных систем в интересах террористических режимов и группировок.
Работы в указанных направлениях ведутся в соответствии стребованиями, выдвигаемыми различными потребителями (воздушными,морскими речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими,землеустроительными и другими службами).
Структура спутниковых радионавигационных систем
Структура, способы функционирования и требуемыехарактеристики подсистем СРНС во многом зависят от заданного качестванавигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений. Длядостижения таких важнейших качеств, как непрерывность и высокая точностьнавигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе современнойСРНС типа ГЛОНАСС и GPS функционируюттри основные подсистемы (рис. 1):
/>
Ø космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных ИСЗ (вдальнейшем ее называем сетью навигационных спутников (НС) или космическимсегментом);
Ø контроля и управления (ПКУ) (наземный командно-измерительныйкомплекс (КИК) или сегмент управления);
Ø аппаратура потребителей (АП) СРНС (приемоиндикаторы (ПИ) или сегментпотребителей). Разнообразие видов приемоиндикаторов СРНС обеспечиваетпотребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнегокосмоса) потребителей.
Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощьюэтих сегментов, является определение пространственных координат местоположенияпотребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Этуоперацию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающейвычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратурепотребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способопределения местоположения потребителей на основе беззапросных (пассивных)дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственныхспутников Земли с известными координатами.
Выбор концепции независимой навигациии использование беззапросных измерений обеспечили возможность достижениянеограниченной пропускной способности СРНС. По сравнению с зависимойнавигацией, не предусматривающей процедуры вычислений ПВК в ПИ СРНС, произошлоусложнение аппаратуры потребителей. Однако современные достижения в областитехнологий сделали возможной реализацию таких подходов при решении проблемынавигационных определений в СРНС.
Высокая точность определенияместоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимноерасположение спутников и параметры их навигационных сигналов. Структура космическогосегмента обеспечивает для потребителя постоянную видимость требуемого числаспутников.
В настоящее время считаетсяцелесообразным введение в состав СРНС региональных дополнительных систем,обеспечивающих реализацию наиболее строгих требований потребителей. Этиструктуры позволяют существенно повысить точность обсерваций, обнаруживать иидентифицировать нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшениекачества ее функционирования и своевременно предупреждать об этомпотребителей, т. е. они могут осуществлять контроль целостности системы и поддерживатьрежим дифференциальных измерений.
2.1. Подсистема космических аппаратов
Подсистема космических аппаратов СРНСсостоит из определенного числа навигационных спутников. Основные функции НС —формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационныхопределений потребителей СРНС, контроля бортовых систем спутника подсистемойконтроля и управления СРНС. С этой целью в состав аппаратуры НС обычновключают:
радиотехническое оборудование (передатчикинавигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и командот КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты(БЭВЧ), солнечные батареи и т. д. Бортовые эталоны времени и частотыобеспечивают практически синхронное излучение навигационных сигналов всемиспутниками, что необходимо для реализации режима пассивных дальномерных измеренийв аппаратуре потребителей.
Навигационные сигналы спутников содержат дальномерныекомпоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используют для определенияв аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров (дальности, еепроизводных, ПВК и т. д.), вторые — для передачи потребителям координат спутников,векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщенийспутника подготовлена в наземном командно-измерительном комплексе и переданапо радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируетсянепосредственно бортовой аппаратурой.
Дальномерные компоненты навигационных сигналов содержат двесоставляющие, отличающиеся обеспечиваемой ими точностью навигационных определений(стандартной и более высокой). В аппаратуре гражданских потребителей обрабатываетсясигнал стандартной точности. Для использования сигнала высокой точноститребуется санкция военных органов.
Выбор состава и конфигурации орбитальной группировки НС можетобеспечить заданную рабочую зону, возможность реализации различных методовнавигационно-временных определений (НВО), непрерывность и точность НВО,диапазон изменения параметров радиосигналов НС и т. д. Например, увеличениевысоты полета НС современных средневысотных СРНС до примерно 20 000 кмпозволяет принимать сигналы каждого НС на значительных территориях(приблизительно на половине поверхности Земли). И тогда несколько НС,расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зренияназемного и авиационного потребителя, радионавигационное поле (глобальнуюрабочую зону).
Соответствующие характеристики сигналов НС и способы ихобработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью.
В современных СРНС типа ГЛОНАСС и GPS большое внимание уделяется взаимной синхронизации НСпо орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило применение кним термина «сетевые СРНС».
2.2. Наземный командно-измерительный комплекс
Подсистема контроля и управленияпредставляет собой комплекс наземных средств (командно-измерительный комплекс— КИК), которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движенияНС, качеством функционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы ипараметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностьюпередаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалывремени и др.
Обычно КИК состоит изкоординационно-вычислительного центра, (КВЦ), станций траекторных измерений иуправления (СТИ), системной (наземного) эталона времени и частоты(СЭВЧ).
Периодически при полете НС в зоневидимости СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦопределять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затемэти данные вкладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебномсообщении в виде кадров соответствующего формата.
Синхронизация различных процессов вСРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталонавремени и частоты, который используется, в частности, в процессе юстировкибортовых эталонов времени и частоты навигационных спутников СРНС.
2.3. Навигационная аппаратурапотребителей СРНС
Приемоиндикаторы СРНС, состоящие израдиоприемника и вычислителя, предназначены для приема и обработкинавигационных сигналов спутников с целью определения необходимой потребителяминформации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственнойориентации и т. п.).
Пространственное положение потребителя обычно определяется вприемоиндикаторе в два этапа: сначала определяются текущие координаты спутникови первичные навигационные параметры (дальность, ее производные и др.)относительно соответствующих НС, а затем рассчитываются вторичные — географическаяширота, долгота, высота потребителя и т. д.
Сравнение текущих координат потребителей с координатамивыбранных навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяетсформировать в ПИ сигналы для управления различными транспортными средствами.Вектор скорости потребителя вычисляют путем обработки результатов измеренийдоплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скоростиспутника. Для нахождения пространственной ориентации потребителя вприемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с использованиемспециальных антенных решеток.
2.4. Взаимодействиеподсистем СРНС в процессе определения текущих координат спутников
Способ функционирования современныхСРНС позволяет отнести их к радиомаячным навигационным средствам. Однаконеобходимость постоянного определения текущих координат НС и выбора из нихвидимых потребителю НС и рабочего созвездия исправных НС существенно отличаетСРНС от традиционных радиомаячных РНС (РСБН, РСДН), в которых координаты радиомаяковизвестны и постоянны. Непрерывное нахождение текущих координат НС, движущихся сбольшими изменяющимися но времени скоростями, представляет собой сложнуюзадачу.
Координаты НС могут бытьопределены в общем случае на КИК или непосредственно на спутнике(самоопределяющиеся НС). В настоящее время отдается предпочтение первомуподходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на практикеметоды и средства решения этой проблемы в наземных условиях. В современныхСРНС управление НС осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно,не обеспечивается постоянное взаимодействие КИК и сети НС. В связи с этимвыделяют два этапа решения этой задачи. На первом этапе в аппаратуре КИКизмеряют координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляютпараметры их орбит. Эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моментывремени, например на середину каждого получасового интервала предстоящих суток,до выработки следующего прогноза. Спрогнозированные координаты НС и их производные(эфемериды) передаются на НС, а затем в виде навигационного (служебного)сообщения, соответствующего указанным моментам времени, потребителям. На второмэтапе в аппаратуре потребителя по этим данным осуществляется последующеепрогнозирование координат НС, т. е., вычисляются текущие координаты НС винтервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичногопрогнозирования координат проводят при известных закономерностях движения НС.
В отличие отсамоопределяющихся НС, рассмотренный вариант функционирования СРНС обеспечиваетупрощение аппаратуры спутников за счет усложнения структуры КИК с цельюдостижения заданной надежности.
Заметим, что внавигационное сообщение НС КИК, кроме того, закладывает альманах —набор справочных сведений о всей сети НС, в том числе загрубленные эфемеридыНС, которые обычно используются для определения видимых потребителю НС ивыбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО. Темпобновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому еечасто называют оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ вальманахе.
3. Основные навигационные характеристики НС
К основным навигационнымхарактеристикам НС относят зону обзора, зону видимости, продолжительностьнаблюдения, орбитальную конфигурацию сети НС и др. На чертеже (рис. 2)поясняются основные определения.
Зона обзора НС представляет собой участок земнойповерхности, на котором можно осуществлять наблюдение за НС, прием егосигналов. Центром зоны обзора является подспутниковая точка О3,называемая географическим местом спутника (ГМС).
Координаты ГМС (географическиеширота и долгота) могут быть рассчитаны по формулам:
/>
где /> — орбитальные элементы НС; /> — гринвичское звездное время;
/> — угловая скорость прецессии узлаорбиты. Зона обзора ограничена линией истинного горизонта в точке НС, поэтомуее размер зависит от высоты НС (/>). Размер зоны обзора характеризуется углом /> или соответствующей ему дугой АО3,которая называется радиусом зоны обзора /> [км]. Из рис. 2 видно, что