Структура спутниковой радионавигационной системы

 

Общая структура спутниковой радионавигационной системы представлена на рисунке 5.5.

Рис.5.5. Состав спутниковой радионавигационной систем

 

Спутниковая радионавигационная система состоит из следующих частей:

- космический сегмент;

- наземный комплекс управления и контроля;

- сегмент навигационной аппаратуры потребителей;

Для расширения возможностей СРНС по точности в ее состав включают наземное функциональное дополнение (дифференциальный сегмент).

Космический сегмент системы состоит из определенного числа навигационных спутников (НИСЗ).

Основные функции навигационных спутников:

- формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС;

- контроль бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС.

Для реализации этих функций в состав аппаратуры НС включены радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от наземного контрольно-измерительного комплекса, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты, солнечные батареи и т. д.

Наземный комплекс управления и контроля включает в себя командно – измерительный комплекс, космодром и сеть станций траекторных измерений и управления (СТИ).

Командно-измерительный комплекс (КИК) - комплекс наземных средств, которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движения навигационных спутников, качеством функционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др.

КИК состоит из координационно-вычислительного центра (КВЦ) и системного (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ).

Периодически при полете НИСЗ в зоне видимости СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные закладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, в свою очередь синхронизируемого со стандартом всемирного координированного времени UTC.

Способ функционирования современных СРНС во многом схож с принципом работы наземных радиомаячных навигационных средств. Однако необходимость постоянного определения текущих координат НИСЗ и выбора из них видимых потребителю существенно отличает СРНС от традиционных радиомаячных РНС (РСБН, РСДН), в которых координаты радиомаяков известны и постоянны. Непрерывное нахождение текущих координат НИСЗ, движущихся с большими изменяющимися во времени скоростями, представляет собой сложную задачу.

Координаты НИСЗ могут быть определены в общем случае на КИК или непосредственно на спутнике (самоопределяющиеся НИСЗ).

В настоящее время отдается предпочтение первому подходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой проблемы в наземных условиях.

В современных СРНС управление НС осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается постоянное взаимодействие КИК и сети НИСЗ. В связи с этим выделяют два этапа решения этой задачи.

На первом этапе в аппаратуре КИК измеряют координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляют параметры их орбит. Эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моменты времени, например, на середину каждого получасового интервала предстоящих суток, до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные координаты спутников и их производные (эфемериды) передаются на НИСЗ, а затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, доводятся потребителям.

На втором этапе в аппаратуре потребителя по этим данным осуществляется последующее прогнозирование координат НС, т. е. вычисляются текущие координаты НС в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат проводят при известных закономерностях движения НС.

в навигационное сообщение для НИСЗ, КИК закладывает альманах - набор справочных сведений обо всей сети НС, в том числе загрубленные эфемериды НИСЗ, которые обычно используются для определения видимых потребителю спутников и выбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО.

Темп обновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому ее часто называют оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.

Космодром - это оборудованная в инженерном отношении территория, на которой размещены функционально увязанные между собой сооружения и технические средства, обеспечивающие прием с заводов-изготовителей и хранение элементов ракетно-космической техники, подготовку средств выведения и космических аппаратов и их пуск.

Космодром обеспечивает вывод навигационных ИСЗ на требуемые орбиты при развёртывании спутниковой радионавигационной системы и восполнение её состава по мере выработки ресурса навигационными спутниками.

Сегмент аппаратуры потребителей - это приемоиндикаторы СРНС, состоящие из радиоприемника и вычислителя, предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения необходимой воздушным судам информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т. п.).

Пространственное положение воздушного судна обычно определяется в приемоиндикаторе в два этапа:

сначала определяются текущие координаты спутников и первичные навигационные параметры (дальность, ее производные и др.) относительно соответствующих НС;

затем рассчитываются вторичные - географическая широта, долгота, высота потребителя и т. д.

Сравнение текущих координат воздушного судна с координатами выбранных навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяет сформировать в приемоиндикаторе сигналы для управления летательным аппаратом. Вектор скорости самолета вычисляют путем обработки результатов измерений доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скорости спутника. Для нахождения пространственной ориентации воздушного судна в приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с использованием специальных антенных решеток.

Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используют для определения в аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров, вторые - для передачи потребителям координат спутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготавливается в наземном командно-измерительном комплексе и передается по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.

Минимальные требования к бортовому навигационному оборудованию определены требованиями документа TSO C – 129, разработанного Управлением сертификации ЛА США.TSO S – 129 определены три различных класса оборудования:

1. Класс А – датчики, способные решать навигационные задачи для ручного управления полетом и осуществлять контроль целостности системы (Целостность - это способность навигационной системы своевременно и обоснованно предупреждать пользователя в тех случаях, когда система не должна использоваться для отдельной операции.)

- Класс А1 – оборудование для полёта по маршруту и неточного захода на посадку;

- Класс А2 – оборудование для полёта по маршруту и в районе аэродрома.

2. Класс В – датчики, обеспечивающие передачу данных местоположения в интегрированную навигационную систему, для обеспечения ручного и автоматического управления полётом ВС (классы В1, В2, В3, В4).

3. Класс С – оборудование, аналогичное средствам класса В, но имеющее расширенные связи с системой управления ВС, позволяющие снизить ошибки пилотирования (классы С1, С2, С3, С4).

 

Наземное функциональное дополнение (дифференциальная подсистема) – наземная сеть контрольно – корректирующих станций, формирующая и передающая потребителю поправки для повышения точности навигационных определений и сигналы целостности.

 

5.3.3 Принцип измерения координат в СРНС [13]

При решении задачи определения положения места ВС в СРНС используется геоцентрическая подвижная система координат OXYZ, центр которой совпадает с центром масс Земли, ось OZ – совпадает с осью вращения земного шара. Ось ОХ лежит в плоскости экватора и проходит через Гринвичский меридиан. Ось ОY дополняет систему до правой. В этой системе координат наземный сегмент управления формирует информацию о движении ИСЗ, в ней же определяется положение потребителей. В последующем, после пересчета, потребитель может получить данные о местоположении в геодезической системе координат – в виде широты, долготы и высоты.

Положение ВС относительно ИСЗ может определяться дальномерными (псевдодальномерными), разностно-дальномерными и радиально-скоростными (доплеровскими) методами.

В СРНС ГЛОНАСС и GPS получили применение псевдодальномерные методы,реализованные в аппаратуре потребителей. Псевдодальномерными называются беззапросные дальномерные методы, отличительной особенностью которых является то обстоятельство, что они реализуются в условиях, когда уход часов Dt на ВС весьма значителен, и игнорировать его нельзя (рис.5.6).

Рис.5.6. Определение псевдодальности

Псевдодальности Dj отличаются от действительных дальностей Rj на величины погрешностей распространения радиоволн d_р, часов НИСЗ d_с.ч. и самолетного стандарта времени ВС d_с.в.:

 

При получении сигналов от четырех НИСЗ решается система из четырех уравнений вида[13]:

 

После предварительного определения d_р и d_c.ч рассчитываются четыре неизвестных, из которых три являются пространственными координатами ВС, а четвертая d_с.в — погрешностью часов стандарта времени ВС. Продифференцировав уравнения по времени, получим следующие соотношения:

где xi, уi, Zi — составляющие скорости i-ro спутника, вычисляемые на основе эфемеридных данных.

 

Рис.5.7 Графическая интерпретация решения задачи определения положения места летательного аппарата (ПМЛА)

 

Эфемеридами называются предвычисленные значения координат и скорости НИСЗ. При навигационных определениях на борту, желательно было бы иметь всю необходимую информацию об эфемеридах в таком виде, чтобы использовать ее в любой момент времени без привлечения средств связи с наземными пунктами управления. Однако интервал прогноза ограничен, что требует оперативной доставки на борт самолета эфемеридной информации на срок наблюдений. В настоящее время эфемеридная информация передается на борт с помощью НИСЗ, который производит запоминание эфемерид, относящихся к определенным моментам времени, и их выдачу в период навигационных измерений. Для этого стационарными наземными пунктами наблюдения, называемыми командно-измерительными центрами, замеряются текущие координаты НИСЗ с точной привязкой результатов измерений ко времени. Результаты измерений периодически обрабатываются, что дает возможность вычислять элементы орбиты спутников на определенные моменты времени. Эти данные используются для прогноза движения НИСЗ, а результаты прогнозирования передаются на борт НИСЗ и закладываются в бортовое запоминающее устройство. Погрешности, вносимые за счёт эфемерид, приведены в таблице 5.2.

В дальнейшем производятся последовательная выборка прогнозируемых значений координат и скорости НИСЗ, относящихся к определенным моментам времени, и трансляция их по радиоканалу. Аппаратурой потребителей ведутся прием и регистрация принятых эфемерид и использование их при навигационных расчетах.

Таблица 5.2 Погрешности эфемерид

Составляющая ошибки	Ошибка за 24 часа
радиальная	0,7 м
Продольная	3,5 м
поперечная	0,7 м

После предварительного определения D_j d_р, d_c.ч по четырем уравнениям вышеуказанного вида рассчитывают составляющие скорости ВС и погрешность частоты генератора самолетного стандарта времени. Таким образом, СРНС позволяет, используя прогностическую эфемеридную информацию, определить на борту все необходимые навигационные параметры.

При этом в случае одновременного наблюдения четырех НИСЗ обеспечивается режим 3D (т. е. измеряются три координаты местоположения и время). Если наблюдаются три спутника, то могут быть вычислены только две координаты (режим 2D, таким образом, аналогичен наблюдению с помощью РНС; высота полета в этом случае определяется на борту по автономному измерителю).

Точность определения координат с использованием ИСЗ характеризуется точностью измерения псевдодальности, точностью хода бортовых часов и зависит от геометрических условий измерений – взаимного расположения ВС и набора ИЗС, используемых для навигационных определений.

Современные приёмоиндикаторы СРНС из числа ИЗС, находящиеся в зоне видимости, выбирают оптимальное созвездие, обеспечивающее минимум погрешностей измерений. Кроме того, при выборе созвездия учитывается возможность обеспечения требуемого уровня готовности системы, то есть во время измерений при выполнении определенной операции (например, захода на посадку) нельзя переходить от использования одного созвездия к другому, так как при этом скачкообразно меняется геометрический фактор и погрешность измерений.