Спутниковые Радионавигационные Системы (Срнс).

1. Структурная схема СРНС. Одним из перспективных направлений развития навигационных средств являются спутниковые навигационные системы, в которых роль опорных радионавигационных точек играют навигационные ИСЗ (НИСЗ), несущие навигационную аппаратуру. Навигационные спутники являются аналогами наземных неподвижных радионавигационных точек. Перенос наземных радионавигационных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение привел к существенному усложнению структуры СРНС. Если наземные радионавигационные системы содержат в качестве основных элементов только аппаратуру самих радионавигационных точек и бортовую аппаратуру ЛА, то СРНС имеют более сложную организацию и включают в себя три подсистемы:

· Подсистему космических аппаратов;

· Подсистему контроля и управления;

· Подсистему потребителей (ЛА)

На рисунке приняты следующие сокращения: НИСЗ-навигационный ИСЗ; СС станции слежения за НИСЗ; КВЦ – координационно-вычислительный центр; КИС- командно-измерительная станция; СЗСИ-станция загрузки служебной информации; 1- команды управления и телеметрия; 2- навигационные сигналы спутников; 3- служебная информация.

1. Подсистема космических аппаратов (ПКА). ПКА- это совокупность НИСЗ, движущихся по определенным орбитам, излучающим навигационные сигналы и передающих служебную информацию.

Например, общее количество спутников системы GPS- 24. Они располагаются на круговых орбитах высотой примерно 20180 км и имеют период обращения около 12 часов. Эти спутники сгруппированы равномерно на 6 орбитах, угол наклона которых относительно экваториальной плоскости составляет 55 градусов. Эти орбиты сдвинуты друг относительнодруга по долготе на 60 градусов, таким образом, в каждой плоскости находится по четыре неравномерно распределенных спутника. Такая конфигурация созвездия приводит к тому, что в любой точке Земного шара одновременно можно принимать сигналы от 5 до 11 спутников.

На борту каждого НИСЗ располагаются: средства пространственной ориентации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного управления, системы энергопитания и терморегулирования.

Спутники передают сигналы, содержащие дальномерные коды и служебную информацию. Дальномерные коды обеспечивают измерение дальностей спутниковыми навигационными приемниками, а служебная информация используется для проведения навигационных расчетов и контроля системы. Содержанием служебной информации являются: частотно-временные поправки для каждого ИСЗ, его точно расчитанные координаты на фиксированные моменты времени (эфемериды), относительно грубые данные для расчета координат всех спутников системы (альманах), телеметрическая информация, повышающая точность и надежность навигационного сеанса.

Работа бортовых блоков осуществляется во взаимодействии с бортовым эталоном времени или частоты и бортовой ЭВМ. Бортовые эталоны времени (частоты) являются одними из самых сложных и дорогих устройств НИСЗ, но именно они во-многом определяют уникальные свойства СРНС. Согласованные по времени и пространству излучаемые сигналы спутников, обеспечивают возможность решения различных задач навигации.

2. Подсистема контроля и управления (ПКУ). ПКУ- это совокупность наземных средств, служащих для сбора информации от НИСЗ, её обработки и передачи навигационных сообщений на борт НИСЗ для коррекции их работы. В число задач ПКУ входят:

§ Проведение траекторных измерений для определения орбит НИСЗ и временных измерений для определения расхождения бортовых шкал времени всех НИСЗ с системным временем.

§ Предсказание для каждого НИСЗ его будущих эфемерид.

§ Формирование массива служебной информции с включением в него спрогнозированных эфемерид, альманаха, оправок бортовой шкалы времени

§ Контроль по телеметрическим каналам за работой систем НИСЗ м диагностика их состояния.

§ Управление по командному каналу полетом всех спутников и работой их бортовых систем.

По наличию у потребителя (ЛА) навигационного передатчика СНС делятся на пассивные и активные.

В пассивных СНС на ЛА отсутствуют излучающие устройства и вся обработка принятых сигналов от НИСЗ осуществляется непосредственно в БЦВМ. Преимущество такой системы состоит в том, что она имеет практически неограниченную пропускную способность, то есть самоопределяется очень большое число ЛА.

В активных СНС принятые на борту ЛА сигналы подвергаются первичной обработке, а затем благодаря наличию бортового передатчика передается на наземную станцию, где и определяются параметры движения ЛА. Результат ретранслируется на борт ЛА по специальному каналу связи.

2. Методы определения навигационных параметров в СРНС. В СРНС навигационная информация содержится в характеристиках радиосигнала, зависящих от взаимного положения и относительного перемещения ЛА и НИСЗ. При этом для определения навигационных параметров в СНС обычно используется дальномерный или разностно-дальномерный метод, основанные на измерении времени распространения радиосигнала, а также доплеровский метод, использующий сдвиг частоты излучаемого и принимаемого радиосигнала. Очевидно, что для измерения времени распространения радиоволн и доплеровского сдвига частоты на в СНС на борту НИСЗ и на борту ЛА необходимо иметь высокостабильные генераторы опорных сигналов и эталоны времени. Если генераторы на НИСЗ и на ЛА не синхронизированы, то измеренные значения дальности и радиальной скорости называются «квазидальностями» и «квазискоростями», так как они включают в себя как истинные значения навигационных параметров, так и добавки, обусловленные расхождением фаз и частот генераторов на НИСЗ и ЛА.

Вектор пространственно - временного состояния ЛА в СНС характеризуется восемью параметрами:

Тремя координатами x, y, z;

Тремя составляющими скорости dx/dt, dy/dt, dz/dt;

Разностью фаз и частот генераторов НИСЗ и ЛА.

Рассмотрим уравнения каналов измерения СРНС в геоцентрической системе координат.

Дальномерный метод определения навигационных параметров. Уравнения, описывающие дальность от ЛА до некоторого i - го НИСЗ, имеют следующий вид:

r*_i = r_i + dr_j + dr_i,

где r_i = { (x-x_i)²+ (y-y_i)²+(z-z_i)²}^1/2 - истинные значения дальности от i - го НИСЗ до ЛА. x_i, y_i, z_i – прямоугольные координаты i - го НИСЗ; x, y, z – прямоугольные координаты ЛА; dr_j - поправка к дальности из-за расхождения фаз опорных генераторов НИСЗ и ЛА; - погрешности измерения дальностей генераторов НИСЗ – ЛА. Дифференцируя приведенное выражение можно записать выражение, описывающее скорость изменения дальностей.

dr*_i/dt=1/r_i{(x-x_i)(dx/dt-dx_i/dt)+(y-y_i)(dy/dt-dy_i/dt)+

(z-z_i)(dz/dt-dz_i/dt)}+ d_rf + d_ri,

dx_i/dt, dy_i/dt, dz_i/dt- составляющие скорости НИСЗ; d_rf - поправка к радиальной скорости из за расхождения частот генераторорв ЛА и НИСЗ; d_ri - погрешность измерения радиальной скорости.

Каждому измеренному значению дальности до отдельного НИСЗ в прямоугольной системе координат соответствует сфера радиуса r*_{i .} Центр которой совпадает с положением центра масс ЛА в момент проведения измерений. Пространственное положение самолета находится как точка пересечения не менее трех сферических поверхностей положения.

Разностно-дальномерный метод определения навигационных параметров с помощью СНС. Минимальное необходимое число НИСЗ для решения пространственной навигационной задачи разностно-дальномерным методом равно четырем.

Координаты ЛА в этом случае находятся по данным разностно-дальномерных измерений в результате решения системы уравнений.

Dr*_ij = {(x-x_i)²+ (y-y_i)²+(z-z_i)²}^1/2 +{(x-x_j)²+ (y-y_j)²+(z-z_j)²}^1/2

x_i, y_i, z_i - прямоугольные координаты i - го НИСЗ; x_j, y_j, z_j - прямоугольные координаты j - го НИСЗ;

Из приведенного выражения следует, что для определения координат ЛА разностно-дальномерным методом требуется измерение трех независимых разностей дальностей от ЛА до НИСЗ, а это в свою очередь требует наличия не менее четырех НИСЗ.

Определение дальностей или разности дальностей от ЛА до НИСЗ осуществляется путем измерения временных интервалов между моментом излучения радиосигнала с борта НИСЗ и моментом его поступления на борт ЛА. Поэтому обязательным условием определения параметров движения с помощью СНС является точная временная привязка измерения дальности или разности дальностей. Это требует наличия точных часов на НИСЗ и ЛА.

2.Источники погрешностей измерений в СРНС. Можно выделить следующие наиболее значимые источники погрешностей измерений СРНС:

Погрешности измерений, связанные с работой передающих устройств НИСЗ. Наиболее существенной составляющей таких погрешностей является недостаточно точная синхронизация измерений НИСЗ. По современным данным ошибки оценки дальности при отсутствии синхронизации измерений НИСЗ возрастают до 2м за 2 часа и до 12 метров через 24 часа.

Погрешности, возникающие из-за неполного знания условий распространеия радиоволн. Эти погрешноси приводят к ошибкам измерения дальности до ЛА в пределах от 2 до 5 метров. На борту ЛА для компенсации подобных ошибок предусматривается ввод поправок.

Ошибки из-за отработки в приемнике ЛА параметров сигнала. Их пичиной являются: нелинейность характеристик приемника, неполное согласование характеристик фильтрующих динамических вздействий, внешние помехи, дискретизация непрерывных измерений. Эти погрешности приводят к ошибкам опредления дальности в пределах от 1.5 до 2 метров.

Таким образом, суммарная погрешность определения дальностей может достигать от 3 до 13 метров, а ошибка определения скорости до 0.3 м/с.

Другим существенным источником ошибок определения местоположения и скорости ЛА с помощью СРНС являются ошибки расчета из-за неточности знания эфемерид. Количественные данные об ошибках эфемерид НИСЗ СРНС GPS иллюстрирует следующая таблица.