Глава 4. Спутниковые радионавигационные системы и их структура

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) предназначены для определения координат и других навигационных элементов ВС в пределах зоны действия входящих в систему навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). Идея навигационных измерений с помощью СРНС состоит в следующем. Если известны положение и скорость перемещения нескольких НИСЗ относительно земной поверхности, то, определяя положение и скорость перемещения относительно этих спутников, можно определить его положение и скорость перемещения относительно поверхности Земли.

Иначе говоря, если известны законы движения НИСЗ в системе координат, связанной с Землей (например, их текущие гринвичские геоцентрические координаты), то определив текущие координаты ВС относительно ИСЗ, можно определить текущее местоположение ВС над Землей (например, его географические координаты и высоту) и его скорость (рис. 1).

СРНС способны обеспечивать решение задач навигации с высокой точностью в любой точке земного шара, в любое время года и суток.

Отличие СРНС от всех других радионавигационных систем дальнего действия состоит в том, что в них радиоизлучающая аппаратура размещается на НИСЗ и используется сверхвысоких частот, характеризующийся большой пропускной способностью радиоканалов и высокой точностью радиоизмерений независимо от места и времени.

Использование НИСЗ в качестве радионавигационной точки позволяет создавать системы, которые основываются на известных в радионавигации методах, прежде всего дальномерном, разностно-дальномерном и радиально-скоростном (доплеровском). Скорость измеряется доплеровским методом. Радиально-скоростной метод используется в основном для определения координат морских судов и ВС, потерпевших аварию (т. е. ВС расположенных на земной поверхности).

В существующих и разрабатываемых спутниковых РНС измерения дальности и радиальной скорости производятся беззапросным способом, использующим в качестве информативных параметров сигнала время распространения сигнала, излученного НИСЗ, и (или) доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала. Для дальномерных измерений могут использоваться фазовые и временные (импульсные) методы измерений. По принятым на борту ВС сигналам и имеющейся информации о параметрах движения навигационных ИСЗ вычисляются координаты ВС.

В состав СРНС «Навстар» входят (рис. 2) командно-измерительный комплекс (КИК), группа (созвездие) НИСЗ, центр управления (ЦУ) и бортовое оборудование объектов (потребителей). На рисунке показан космодром, обеспечивающий вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развертывании спутниковой системы, а также периодическое восполнение числа спутников по мере выработки каждым из них ресурса.

Рисунок 4.1. Определение координат по навигационным искусственным спутникам Земли: - радиус Земли; - вектор положения ВС; - вектор дальности от ВС до i -го НИСЗ; - вектор положения i - го навигационного НСЗ.

Рисунок.4. 2. Состав и функциональные связи спутниковой системы навигации «Навстар».

КИК служит для управления полетом НИСЗ и работой их бортовых систем, а также для обеспечения НИСЗ информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов. Основными задачами КИК являются: проведение траекторных измерений для определения орбит всех НИСЗ; выполнение временных измерений для определения расхождения бортовых шкал времени всех НИСЗ с системным временем; предсказание будущих эфемерид (предвычисленных значений координат и скорости) каждого НИСЗ и ухода бортового времени; формирование массива служебной информации и закладка его в память соответствующего спутника; телеметрический контроль работы системы спутников и диагностика их состояния. В состав КИК входят координационно-вычислительный центр (КВЦ), командно-измерительная станция (КИС), станция управления (СУ), несколько станций слежения за спутниками (СС) и станция закладки служебной информации (СЗСИ).

На НИСЗ, как на космическом аппарате, размещаются разнообразная аппаратура, средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, система бортового эталона времени, БЦВМ. Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан радиолиниями с КИК.

Навигационные ИСЗ передают данные о своей орбите в момент измерений и навигационные сигналы для определения местоположения ВС, а также принимают и производят запись прогнозируемых параметров орбит.

Бортовое оборудование на основе принимаемой от НИСЗ информации производит по инициативе самого ВС определение навигационных параметров и вычисление координат ВС.

В качестве навигационных параметров в СРНС обычно используются расстояние, разность расстояний, угловое положение, радиальная скорость ВС и др.

Возможно одновременное определение навигационных параметров по нескольким НИСЗ, в зоне действия которых находится ВС, или последовательное во времени. Пространственное положение ВС находится па пересечении трех поверхностей положения, соответствующих постоянным значениям навигационного параметра. Для обеспечения заданной точности СРНС на борту ВС необходимо также иметь эфемеридную информацию, т. е. предвычисленные значения координат и скорости НИСЗ.

В заключение следует отметить, что при эксплуатации СРНС все задачи воздушной навигации решаются автоматически с использованием цифровой ЭВМ при минимальном участии экипажа.

Роль экипажа сводится лишь к включению аппаратуры и контролю за ее функционированием. Все вычислительные величины, необходимые для вождения ВС выдаются на соответствующие индикаторы, а часть из них подается в САУ для автоматического вождения ВС по заданной пространственно-временной траектории полета.