книги / Физические основы получения информации

денной программе вычисляет текущие координаты самолета и представляет их на цифровом индикаторе.

7.3.4. Измерение времени

Непременным условием точного определения параметров движения ЛА с помощью ИСЗ является точная привязка резуль­ татов измерения дальности или разностей дальностей ко времени.

На Земле, на ИСЗ и борту ЛА необходимо иметь высоко­ точные часы, обеспечивающие формирование местных шкал времени. На спутниках устанавливаются стабильно работающие точные атомные часы. Часы ЛА синхронизируются по спутни­ ковым часам в процессе навигационных измерений. Для дости­ жения высокой точности определения координат ЛА погреш­ ность измерения времени не должна превышать 10~2-1(Г3с. В связи с этим существует потребность в периодической сверке и коррекции бортовых часов по более точным наземным ча­ сам - по часам общегосударственной службы времени.

В спутниковых системах навигации определение коорди­ нат ЛА производится беззапросным методом.

7.4. М етоды радионавигационных измерений

Для определения местоположения летательного аппарата относительно Земли используют разностно-дальномерные, уг­ ломерные, доплеровские методы и их разновидности и комби­ нации. Методы определения местоположения ЛА основаны на нахождении его положения относительно НИСЗ. Как этого можно достичь? Например, самолетный запросчик дальномера излучает запросный импульс, который принимается спутнико­ вым радиотранслятором и переизлучается обратно. Интервал времени между излучением запросного импульса и приемом от­ раженного сигнала определяет расстояние от самолета до НИСЗ. Аппаратура дальномерного канала навигационной системы са­ молета преобразует полученный интервал времени и в виде на­ пряжения подает его в систему определения координат.

141

С приемом ответного импульса от спутника поступает ко­ дированный сигнал о его местоположении.

Приемник навигационной системы на основании изме­ ренных временных задержек приходов сигналов вычисляет рас­ стояние до каждого спутника и методом триангуляции опреде­ ляет свое местоположение.

Существуют и беззапросные методы определения дально­ сти. Суть их состоит в том, что спутник регулярно, например в начале каждой четной минуты времени, излучает сигнал, со­ стоящий в последовательности кодов. Приняв код и определив по бортовой аппаратуре момент времени, когда он принят, мож­ но найти время прохождения сигнала At от спутника до точки приема. Далее определяется расстояние г от ЛА до спутника, координаты которого в момент излучения сигнала он сообщил в своем коде.

Если одновременно известны расстояния до трех навига­ ционных спутников, то можно определить координаты точки приема.

Все вышеуказанные операции измерения и вычисления производятся бортовым устройством ЛА автоматически и прак­ тически мгновенно.

Дальномерные радиотехнические методы обеспечивают наиболее высокую точность навигационных измерений. Не­ смотря на значительное удаление самолета от ИСЗ, погрешно­ сти измерения дальности удается свести до 10 метров.

Один навигационный спутник позволяет определять одну сферическую поверхность положения самолета. Поэтому для определения координат его местоположения требуется одно­ временное измерение дальности до двух или трех ИСЗ, разне­ сенных в пространстве таким образом, чтобы поверхности по­ ложения, получающиеся при измерениях дальности, пересека­ лись по возможности под углами, более близкими к 90°

Разностно-дальномерные системы с точки зрения техни­ ческой реализации сходны с дальномерными системами. Суще­ ственными достоинствами этих систем являются их высокая пропускная способность и простое бортовое оборудование ЛА. Однако по точностным характеристикам разностно-дальномер­ ные методы несколько уступают дальномерным.

142

7.5. С путниковы е радионавигационные системы второго поколения

Характерной особенностью СРНС второго поколения является применение нескольких одновременно находящихся в зоне радиовидимости ИСЗ.

В состав такой системы входят 24 ИСЗ, размещенные рав­ номерно в орбитальных плоскостях (рис. 7.11). Высоты орбит 20 000 км, период обращения 12 часов. В зоне радиовидимости потребителя в любой момент времени находится 4-11 ИСЗ, что обеспечивает возможность непрерывного определения трех ко­

гационных сообщений.

Навигационная аппаратура потребителя производит выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и слежение за сигналами, обра­ ботку измеряемых РНП и эфемеридной информации для опре­ деления координат и составляющих скорости потребителя.

В американской GPS (Global Positioning Sistem) «Navstar» ИСЗ излучают двоичный фазоманипулированный сигнал, код которого является индивидуальной принадлежностью каждого ИСЗ. Это позволяет всем ИСЗ работать на общей несущей час­ тоте, не создавая заметных внутрисистемных помех.

Измеряемыми радионавигационными параметрами служат время запаздывания и доплеровское смещение частоты прини­

143

маемого радионавигационного сигнала относительно его образ­ ца, формируемого на борту потребителя.

С борта спутника «Navstar» непрерывно излучается два сигнала: на частоте 1227,6 МГц только высокоточный сигнал, используемый военным потребителем, а на частоте 1575,42 МГц сигнал пониженной точности, доступный для гражданского по­ требителя. Его можно представить в виде

s ,0 ) = XG, (t)Dcl(Osin 2п/0( ,

где xGf(t)~ дальномерный код в виде двоичной ФМ-после- довательности (длительность импульса Т0 = 1 мкс); Dcj(t) - код данных (информационное сообщение).

Код xG,(0 является последовательностью Голда.

Каждая последовательность (для /-го спутника) создается путем перемножения двух специально подобранных двоичных М-последовательностей длиной N = 1023 импульсов каждая.

При различных временных сдвигах получаются различные последовательности Голда. Каждому спутнику системы при­ своена своя последовательность Голда.

При включении GPS приемник начинает генериро­ вать код Голда (точную копию излучаемой спутником после­ довательности), повторяя его через промежуток времени х (рис. 7.12) и записывая в память вычислителя.

В некоторый момент времени /2 приемник получает сигнал со спутника. Путем его логического умножения на ка­

ждую последовательность в памяти приемник определяет мак­ симум корреляционной функции (по максимальной площади сигнала, полученного в результате умножения) и время /,, когда он сгенерировал сигнал, соответствующий максимуму корреля­ ционной функции.

144

Так как максимум корреляционной функции получается при умножении сигнала «на себя», то приемник определяет, ко­ гда (в какой момент времени) он генерировал такой же сигнал, какой генерировал GPS спутника.

После этого приемник определяет задержку сигнала (т.е. время, затраченное сигналом на преодоление расстояния от спутника до потребителя).

При совпадении фаз опорных генераторов потребителя и ИСЗ измеряемое время запаздывания пропорционально дально­ сти между ИСЗ и потребителем. Измерение времени запаздыва­ ния принимаемого сигнала производится корреляционным методом. Формируемая в приемнике копия сигнала ИСЗ пере­ множается с принятым сигналом, образуя корреляционную функцию. Выходной сигнал коррелятора достигает максималь­ ного значения, пропорционального числу элементов кода, когда формируемая копия (образец) совпадает по времени и частоте с принимаемым сигналом. Получаемый максимум функции кор­ реляции пропорционален времени интегрирования в коррелято­ ре. За счет достаточно большого времени интегрирования дос­ тигается высокая точность измерения.

В связи с тем, что для определения координат необходимо иметь сведения о местоположении ИСЗ на каждый момент вре­ мени, в рассматриваемой СРНС, как и в СРНС первого поколе­ ния, потребитель должен располагать эфемеридной информаци­ ей. Для этого на борту ИСЗ дальномерный ФМ радионавигаци­ онный сигнал подвергается дополнительной фазовой манипуля­ ции на 0 и 180° в соответствии с информационным сообщени­ ем, представленным последовательностью нулей и единиц.

Таким образом, на борту потребителя информационный сигнал несет сведения о параметрах движения НС, а дальномер­ ный радионавигационный сигнал - сведения о параметрах дви­ жения потребителя относительно НС.

Для составления навигационных уравнений удобно ис­ пользовать систему декартовых координат с началом в центре Земли {геоцентрическую прялюугольную систему координат).

Квадрат расстояния между НС и потребителем можно представить как

D 2 = (*НС - ха)2 + (Лк: - Уп)2 + (ZHC - Zn)J

145

Для нахождения координат потребителя достаточно изме­ рить три РНП (D,, D2, D3расстояния до трех НС).

Задачами, решаемыми аппаратурой потребителя, являют­ ся: выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и опознавание навига­ ционных сигналов НС, введение в синхронизм систем слежения по времени запаздывания и фазе несущей частоты дальномерных сигналов, измерение времени запаздывания и доплеровско­ го сдвига частоты, выделение и расшифровка содержания нави­ гационного (информационного) сообщения, расчет координат ИСЗ на момент навигационных измерений, решение навигаци­ онной задачи (определение координат и составляющих вектора скорости потребителя, поправок к сдвигу шкал времени и час­ тот), отображение вычисленных данных на информацион­ ном табло.

Сеть навигационных ИСЗ системы «Navstar» состоит из 24 спутников, равномерно расположенных на трех орбитах с на­ клонением 63° Орбиты круговые, период обращения спутников 12 часов, высота полета над поверхностью Земли 20 183 км.

Спутник имеет массу 430 кг. Все спутники стабилизиро­ ваны относительно Земли по трем осям.

Точность измерений системы «Navstar» характеризуется погрешностью определения пространственных координат ЛА около 10 м и погрешностью определения скорости, близкой к 0,3 м/с.

Антенная система включает в себя конические и спираль­ но-конические антенны, расположенные в линии передачи данных.

Для передачи навигационных сигналов используются фа­ зированные антенные решетки из спиральных излучающих эле­ ментов.

На навигационном КА установлены двигатели для кор­ рекции орбиты и двигатели системы ориентации и стабилиза­ ции.

Наземный командно-измерительный комплекс спутнико­ вой системы навигации включает в себя:

-четыре станции слежения за ИСЗ;

-корректирующую станцию;

-главную станцию управления.

146

Станции слежения системы «Navstar» расположены на больших удалениях друг от друга (Гавайские острова, остров Гуам, на Аляске и в Калифорнии). Главная и корректирующая станции находятся на территории США.

Современные боевые самолеты США оснащаются пяти­ канальными приемниками и блоком индикации и управления.

Летные испытания с использованием системы «Navstar» показали, что она является более точной, чем любые другие навигационные системы. Система счисления координат перехо­ дит на работу от ИНС тогда, когда сигналы GPS подавляются средствами радиоэлектронного противодействия или когда сигналы не могут быть приняты.

Аналогом (в определенной степени) американской GPS «Navstar» является наша отечественная сетевая среднеорбиталь­ ная СРНС ГЛОНАСС, функционирующая на основе опросных измерений дальности и радиальной скорости четырех спутников (или трех, при использовании дополнительной информации).

В ГЛОНАСС каждый штатный спутник постоянно излу­ чает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот: 1600 и 1250 МГц - с целью исключе­ ния ионосферных погрешностей измерения дальности, завися­ щих от скорости распространения радиоволн.

Радиосигналы НС различаются несущими частотами. Ка­ ждый из указанных диапазонов содержит 12 несущих частот.

Сеть НС ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, равномерно распределенных на трех круговых орбитах с наклонением 64,8° (табл. 7.1).

Высота полета спутников над Землей составляет 19 100 км.

В качестве антенны навигационного спутника в ГЛОНАСС используется простая по изготовлению микрополосковая антенна, обладающая малыми массой и габаритами.

Антенна состоит из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком. Нижний проводящий слой является заземленной плоскостью, а верхний - излучателем антенны.

Многополосковая антенна обеспечивает всенаправленный прием сигналов.

147

Основу навигационного КА составляет цилиндрический термоконтейнер диаметром 1,35 м, в котором размещается спе­ циальная аппаратура. С выдвинутой штангой магнитометра длина контейнера составляет 7, 84 м.

На боковой поверхности контейнера расположены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два радиатора системы терморегулирования, два блока двигателей и датчики ориентации.

Питание всех подсистем производится от солнечных бата­ рей, ширина которых 7,23 м. Общая масса спутника 1415 кг. При этом масса конструкции равна всего 237 кг.

Глобальные навигационные системы «Мavstar» и ГЛОНАСС были не только развернуты, но и опробованы в гра­ жданских и военных целях.

148

7.6. Дифференциальный режим GPS

DGPS позволяет получать координаты потребителя с точ­ ностью 10-15 м. Для повышения точности определения место­ положения объекта применяется дифференциальный метод на­ вигационных измерений.

Дифференциальный режим GPS позволяет определять ко­ ординаты с точностью до 3 метров в динамическом режиме и до 1 метра в стационарных условиях.

Метод основан на использовании специальной опорной станции, представляющей собой контрольный GPS-приемник. Эта стационарная станция располагается в районе приема по­ требителя и имеет свои координаты, полученные в результате прецизионной геодезической съемки.

Опорная станция получает сигналы спутников, вычисляет поправки и передает их потребителям по специальному ра­ диоканалу.

Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении своего местоположения.

Обычно опорные станции располагаются на расстоянии не более 500 км от потребителя.

В настоящее время используется множество широкозон­ ных, региональных и локальных дифференциальных систем, в частности американская WAAS, европейская EGNOS и япон­ ская MSAS.

Эти системы с помощью геостационарных спутников пе­ редают поправки всем потребителям, находящимся в их зоне.

Региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судовых реках, в портах и по бере­ гу морей и океанов.

Локальные системы обычно разделяют по способу их применения на морские, авиационные и геодезические диффе­ ренциальные системы.

149

7.7.Определение координат потребителя

7.7.1.Определение координат потребителя

по трем спутникам

При одновременном измерении дальностей D ,, D2 и D3

от трех навигационных спутников, решая задачу в прямоуголь­ ной геоцентрической системе координат, будем иметь урав­ нения:

*НС3 - 2*нс3* + *2 + Д'нсз - ^HCj-V + У2 + ZHC3 - 2zhc3z + z2 = А2

Добавляя к этим уравнениям уравнение для геоцентриче­ ской высоты самолета

получим систему трех линейных алгебраических уравнений от­ носительно трех неизвестных параметров положения:

*НС3* + УнсуУ + zhc3z = ° ’5(*нс3 + ^НСз + ZHC3 + r2 - А 2)-

Решением системы определяются геоцентрические коор­ динаты самолета х, у, г.

Переход от геоцентрической системы к географической системе координат осуществляется по следующим уравнениям:

150