Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 1.- М., 2005.- 334 с

Рис. 4.16. Система ГЛОНАСС:

а) спутник «Ураган» системы ГЛОНАСС (масса около 1 300 кг, диаметр 2.35 м, длина с развернутой штангой магнитометра 7.84 м, ширина с развернутыми солнечными батареями 7.23 м) (http://www.glonass-center.ru); б) созвездие спутников ГЛОНАСС

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту производится с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Протон». Обычно одним носителем одновременно выводятся три спутника ГЛОНАСС в одну из рабочих позиций (слотов). Один аппарат остается на месте, а два другие разводятся в соседние рабочие точки. Перевод каждого спутника в заданную точку орбитальной плоскости производится с помощью собственной двигательной установки.

Точность выведения спутника на заданную орбиту составляет: по периоду обращения – 0.5 с, по аргументу широты – 1 , по эксцентриситету – 0.01, по наклонению – 0.3 [Болдин и др., 1999].

Спутник системы ГЛОНАСС (собственное название «Ураган» или «Космос» с соответствующим номером, рис. 4.16, а) состоит из герметического цилиндрического контейнера, в котором размещаются служебные системы и специальная аппаратура, рамы антенно-фидерных устройств, панелей солнечных батарей с приводами, приборов системы ориентации, двигательной установки и системы терморегулирования. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для калибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений расстояний до спутника лазерными дальномерами, а также для уточнения параметров модели движения спутника. Уголковые отражатели оформлены в виде блока, постоянно направленного на центр Земли. Их площадь равна 0.25 м2.

Навигационный комплекс спутника обеспечивает его функционирование как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входят: синхронизатор, формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени (БШВ). Формирователь навигационных радиосигналов

обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных

навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение. Комплекс управления обеспечивает управление системами спутника и контролирует правильность их функционирования. Командно-измерительная система обеспечивает измерение дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии. Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд. Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. Погрешность ориентации на центр Земли не хуже 3 , а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце – не более 5 . Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника. Система электроснабжения включает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей – 1 600 Вт, площадь – 17.5 м2. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей. Их разрядная емкость составляет 70 ампер-часов.

Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:

излучение высокостабильных радионавигационных сигналов; прием, хранение и передача цифровой навигационной информации; формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;

ретрансляция или излучение сигналов для проведения траекторных измерений для контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;

прием и обработка разовых команд; прием, запоминание и выполнение временных программ управления

режимами функционирования спутника на орбите;

формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;

прием и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;

формирование и передача «признака неисправности» при выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.

Сигналы ГЛОНАСС. Каждый спутник системы ГЛОНАСС передает непрерывные навигационные сигналы на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2 (1 600 и 1 250 МГц). Навигационный радиосигнал является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей осуществляется на 180с максимальной погрешностью не более 15( 0,2 радиана). Несущие модулируются двумя бинарными кодами: кодом стандартной точности (СТ-код) и кодом высокой точности (ВТ-код), а также данными навигационного сообщения. На частоте L1 передаются оба типа бинарных кодов, а на частоте L2 – только ВТ-код. СТ-код генерируется с частотой 0.511 МГц, он доступен гражданским пользователям для навигации стандартной точности. ВТ-код генерируется с частотой 5.11 МГц и служит для навигации высокой точности, этот код не рекомендуется для использования гражданскими пользователями без разрешения МО РФ. ВТ-код может изменяться космическими войсками РФ без предварительного уведомления. Режимы типа селективного доступа SA и шифрования AS, применяемые в GPS, для системы ГЛОНАСС не предусмотрены.

Каждый спутник ГЛОНАСС передает свои сигналы поддиапазонов L1 и L2 на несколько разных частотах. Приемник ГЛОНАСС может различать сигналы отдельных спутников в общем входящем сигнале от всех видимых спутников посредством назначения различных частот каналам слежения. Этот метод называется множественным доступом с разделением по частоте (FDMA). Номинальная частота для каждого спутника ГЛОНАСС назначается в соответствии с формулами:

К приводится в Интерфейсном контрольном документе [Глобальная навигационная …, 2002], а распределение номеров К между НКА отображается в альманахе системы (неоперативная информация в навигационном сообщении). Канал с номером 0 используется только для целей тестирования. Между несущими частотами сохраняется постоянное соотношение:

Метод FDMA требует, чтобы в зоне видимости станции были спутники с различными частотами. Поскольку два спутника-антипода невозможно одновременно наблюдать с одной станции на земной поверхности, то такие спутники могут передавать свои сигналы на одинаковых частотах. Это делается для того, чтобы предупредить интерференцию между сигналами,

используемыми в ГЛОНАСС, радиоастрономии и мобильных спутниковых службах.

Фаза несущего колебания поддиапазона L1 в НКА ГЛОНАСС и фазы несущих колебаний поддиапазонов L1 и L2 в НКА ГЛОНАСС-М модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю 2 трех двоичных сигналов (рис. 4.17):

псевдослучайного (ПС) дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 кбит/с;

цифровой информации навигационного сообщения, передаваемого со скоростью 50 бит/с;

вспомогательного колебания типа меандр, передаваемого со скоростью

100 бит/с.

Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты. Псевдослучайный дальномерный код представляет собой последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 кбит/с.

Рис. 4.17. Структура сигнала ГЛОНАСС

В системе ГЛОНАСС предусматривается поэтапная замена частотного диапазона таким образом, чтобы с 2005 г. все спутники системы использовали в качестве рабочих только каналы частот К = -7 … +4, а каналы +5 и +6 использовались как технологические в ограниченные периоды времени.

Учет релятивистских эффектов. Рабочие частоты поддиапазонов L1 и L2 для каждого космического аппарата когерентны и формируются от общего стандарта частоты. С точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, номинальное значение частоты этого стандарта равно 5.0 МГц. Для компенсации релятивистских эффектов формируемая бортовым стандартом частота, с точки зрения наблюдателя, находящегося на НКА, смещена относительно 5,0 МГц на относительную величину f/f = -4,36 10-10 или f = - 2,18 10-3 Гц, то есть равна 4,99999999782 МГц (величины даны для

номинального значения высоты орбиты НКА, равного 19 100 км). Фактические значения несущих частот радиосигналов каждого НКА могут отличаться от номинальных значений fK на относительную величину, не превышающую

2 10-11.

Поляризация сигналов. Для уменьшения затухания сигналов спиральные элементы антенн на спутниках формируют радиосигнал с правосторонней круговой поляризацией. При этом коэффициент эллиптичности по полю не хуже 0.7 в секторе излучения 19относительно оси симметрии диаграммы направленности бортовой передающей антенны спутника. Эти параметры учитываются при конструировании приемных антенн потребителей СРНС и при учете поляризационных потерь сигналов в радиолинии.

Навигационное сообщение. Навигационное сообщение ГЛОНАСС создается ЦУС и затем передается на спутники Контрольными станциями (рис.

4.18).

Цифровая информация навигационного сообщения подразделяется на оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация относится к тому аппарату, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал. Неоперативная информация (альманах системы) относится ко всем НКА, входящим в состав ПКА. Скорость передачи цифровой информации равна 50 бит/с.

Оперативная информация содержит: оцифровку меток времени НКА;

сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС;

относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;

эфемериды НКА и другие параметры.

Эфемериды спутников даются в виде векторов положений и скоростей в системе координат ПЗ-90 на эпохи tb. Кроме того, даются составляющие ускорения КА в системе координат ПЗ-90 на момент времени tb, обусловленные действием Луны и Солнца. Эти данные обновляются каждые 30 минут. Таким образом, эфемеридная информация в системах ГЛОНАСС и GPS дается в совершенно разных формах и в различных системах координат. Характеристики точности положений спутников даются в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Точность положений спутников в системе ПЗ-90 [Глобальная навигационная …, 2002]

Следовательно, средняя квадратическая погрешность положения спутника на орбите

для спутника ГЛОНАСС составляет 23 м, а для ГЛОНАСС-М – 10 м. Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в

себя:

данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния); сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени

системы ГЛОНАСС (альманах фаз);

параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит) в виде Кеплеровых элементов орбиты;

сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU), а также другие параметры.

Передаваемая в навигационных сигналах цифровая информация формируется в виде строк, кадров и суперкадров. Кадр содержит 15 строк, передаваемых за 30 с, суперкадр состоит из 5 кадров. Таким образом, полная информация (в том числе альманах) передается за 2.5 мин.

Строка передается за 2 с и содержит 100 символов, из которых 85 первых символов представляют оперативную (для 1 – 4 строк) и неоперативную (для 5

– 15 строк) информацию, а 15 последних символов содержат метки времени. Строки с 6 по 15 содержат альманах системы.

Время системы ГЛОНАСС. Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора (ЦС) Наземного комплекса управления системы, суточная нестабильность которого составляет (1 5) 10-14. Все КА ГЛОНАСС оснащены высокостабильными стандартами частоты, суточная нестабильность которых составляет 5 10-13 для КА ГЛОНАСС и 1 10-13 для КА ГЛОНАСС-М. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников ГЛОНАСС составляет 20 нс (среднеквадратическое значение), а спутников ГЛОНАСС-М – 8 нс.

Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона Координированного всемирного времени UTC(SU) не должно превышать 1 мс, а погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) не должна превышать 1 мкс.

Шкалы времени каждого КА ГЛОНАСС периодически сверяются со шкалой времени ЦС. Поправки к шкале времени каждого НКА относительно шкалы времени ЦС вычисляются в ПКУ ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются на борт каждого КА. На момент проведения измерений погрешность сверки шкалы времени НКА со шкалой времени ЦС не превышает

10 нс.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы Координированного всемирного времени UTC. Поэтому спутники ГЛОНАСС не содержат в навигационных сообщениях данных о коррекции UTC. В навигационном кадре

спутника ГЛОНАСС-M предусмотрено заблаговременное уведомление потребителей о факте, величине и знаке секундной коррекции UTC.

В результате периодического проведения плановой секундной коррекции, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) не существует сдвига на целое число секунд. Однако, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) существует постоянный сдвиг на целое число часов, обусловленный

Для вычисления эфемерид НКА на момент измерений навигационных параметров используются следующие соотношения для определения времени в

c – поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно

UTC(SU);

n (tb) – сдвиг шкалы времени n-го спутника tn относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС tc, равный смещению по фазе ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника относительно системного опорного сигнала на момент времени tb, выраженный в единицах времени;

n(tb) – относительное отклонение прогнозируемого значения несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника от номинального значения на момент времени tb :

В формуле (4.13) fn(tb) – прогнозируемое значение несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени tb;

fHn – номинальное значение несущей частоты навигационного радиосигнала n-го спутника;

tb – порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация.

Спутники ГЛОНАСС-М передают коэффициенты B1 и B2 для перехода от шкалы времени UTC(SU) к шкале всемирного времени UT1:

Кроме того, спутники ГЛОНАСС-М передают поправку GPS для перехода к шкале времени системы GPS. Ее среднеквадратическое значение составляет не более 30 нс [Глобальная навигационная …, 2002].

Рис. 4.19. Наземный комплекс управления ГЛОНАСС

Наземный сегмент выполняет следующие функции:

проведение траекторных измерений для определения и прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени системы, синхронизация бортовых шкал времени (БШВ) каждого КА с временной шкалой ЦС и службы единого времени (СЕВ) путем фазирования и коррекции БШВ;

формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к БШВ каждого КА и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;

передача (закладка) массива служебной информации в память бортовой ЭВМ каждого КА и контроль за ее прохождением;

контроль по телеметрическим каналам работы бортовых систем спутников и диагностика их состояния;

контроль информации в навигационных сообщениях КА, прием сигнала вызова НКУ;

управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи команд управления и передачи на борт временных программ, контроль прохождения этих данных;

контроль характеристик навигационного поля; определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала КА

по отношению к фазе сигнала ЦС;

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами ПКУ [Владимиров, 1999].

Центральный синхронизатор формирует шкалу времени системы и опорные сигналы для беззапросных измерительных станций (БИС). Относительные среднеквадратические отклонения суточных значений водородного стандарта ЦС не превышают 3 10-14.

Траекторные измерения осуществляются радиолокационными контрольными станциями запросным методом, в котором измеряются дальность до спутников и радиальная скорость. Дальномерный канал характеризуется точностью 2 – 3 м.

Кванто-оптические станции (КОС) предназначены для периодической калибровки радиотехнических каналов измерений дальности. Существует три отечественных лазерных станции: лазерная дальномерная система Гео-ИК, КОС «Эталон» и КОС «Майданак» (Узбекистан). Станции типа «Эталон» и «Майданак» могут использоваться для определения орбит спутников. Точность определения расстояний этими станциями составляет 1.5 – 2 см по расстоянию и 1 – 2по направлению. Предельная яркость объектов для станции «Эталон» составляет 13-ю звездную величину, для станции «Майданак» – 16-ю звездную величину.

Система контроля фаз обеспечивает измерение фазового и частотного сдвига сигналов спутников относительно эталона ЦС. Эта информация необходима для синхронизации фаз навигационных сигналов, излучаемых всеми спутниками ГЛОНАСС. Измерение сдвига производится с помощью контрольного навигационного приемника СКФ, в котором принятые дальномерные сигналы сравниваются с опорными сигналами, созданными от высокостабильного эталона частоты ЦС. В результате сравнения измеряется псевдодальность Р(t) = (t) + A(t), где (t) – геометрическая дальность между СКФ и спутником, а A(t) – ошибка измерения, вызванная рассогласованием фаз между бортовым стандартом времени и частоты и ЦС. Величина A(t) усредняется по результатам измерений на длительных интервалах времени, усредненное значение используется для коррекции шкалы времени и частоты бортового эталона. Сверка фаз производится один раз в сутки, а параметры для синхронизации бортовой шкалы времени обновляются два раза за сутки. Считается, что вклад этой ошибки в измерения расстояний составляет не более 5 6 м.

Аппаратура контроля навигационного поля. Этот компонент наземного комплекса управления представляет собой высокоточную аппаратуру потребителей, расположенную на контрольных станциях с хорошей геодезической привязкой. С его помощью обеспечивается непрерывный контроль точностных характеристик координатно-временного обеспечения, которые должны подтверждаться с вероятностью не хуже 0.997, а также характеристик целостности системы ГЛОНАСС на территории России. С этой целью производится диагностика работы основных бортовых систем спутников, контроль точности решения навигационной задачи и качества информации, содержащейся в навигационном сообщении.

Диагностику бортовых систем можно выполнять, например, по содержанию кадра навигационного сообщения, где отражаются результаты самоконтроля спутника. В случае обнаружения на спутнике неисправности, не позднее, чем через минуту, в навигационное сообщение автоматически вставляется соответствующее предупреждение, которое позволяет потребителям исключать неисправный спутник из наблюдений.