Космические радионавигационные системы

Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов начали развиваться после запуска в СССР в 1957 году первого искусственного спутника Земли. В это время лаборатории прикладной физики Университета Джонса Гопкинса была поставлена задача слежения за советским ИСЗ посредством приема его сигнала на наземном пункте с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты передатчика ИСЗ и дальнейшего расчета параметров движения спутника. Обратная задача расчета координат приемника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ представлялась очевидной и естественной. На этой основе в интересах навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис в 1964 году была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения “Транзит”, Основное её назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для коммерческого использования эта система была предоставлена в 1967 г.

Параллельно В 1958–1959 гг. в СССР проводились исследования по теме “Спутник”, ставшие впоследствии основой для построения первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы “Цикада”. И в 1963 году начались работы по построению этой системы. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник “Космос-192”. Характерной чертой радионавигационных спутниковых систем первого поколения является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. В дальнейшем спутники системы “Цикада” были оборудованы приёмной аппаратурой обнаружения терпящих бедствия объектов.

Точность вычисления координат объекта в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости объекта. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это в свою очередь приведёт к погрешности определения координат в 500 м. Для неподвижного объекта величина ошибке определения координат уменьшается до 50 м. Кроме того, в этих системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что системы низкоорбитальные, время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа. Кроме того, время между прохождением различных спутников зоны видимости потребителя зависит от географической широты, на которой он находится, и может составить величину от 35 до 90 минут. Уменьшение этого интервала путём наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и той же частоте. Следовательно, спутниковые навигационные системы первого поколения обладают рядом существенных недостатков. После 2008 г. эксплуатация КНС “Цикада-М”, “Цикада" не планируется.

Глобальная спутниковая система второго поколения основана на одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее четырёх) - с известными параметрами их орбит на каждый момент времени, и вычислении по измеренным расстояниям своих координат.

Действующих систем второго поколения в мире две - российская ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) и американская GPS (Global Positioning System). Каждая из систем включает в себя три функциональные части: космический сегмент, в который входит орбитальная группировка навигационных космических аппаратов (НКА); сегмент управления - наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой; аппаратура пользователей системы. Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Аппаратура пользователей является беззапросной, поэтому количество потребителей не имеет значения.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени.

Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 г. К 1996 году развёртывание системы было завершено. Система разработана по заказу и находится под управлением МО (ВВС) США. Полная группировка в системе GPS состоит из 24 штатных навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой). Высота орбиты каждого спутника равна» 20000 км. В настоящее время количество работающих спутников больше штатного значения (практически по пять НКА в каждой плоскости). Сигналы GPS занимают два диапазона частот L1 и L2, номинальное значение которых равно 1575,42 МГц и 1227,6 МГц. Использование двух частот позволяет исключить ионосферные погрешности измерения. Сигнал на несущей частоте L1 состоит из двух компонентов, которые находятся по фазе в квадратуре друг к другу (сдвинуты на p/2) для удобства их разделения. Обе компоненты (P(Y) – код и C/A - код) модулируются двумя двоичными последовательностями. Сигнал на несущей частоте L2 первоначально имела одну компоненту (P(Y) -код), которая модулируется двумя двоичными последовательностями. В распоряжении мирового сообщества находится открытый C/A‑код. После 2005 г. C/A‑код появился и на частоте L2. С 1 мая 2000 года преднамеренное ухудшение характеристик навигационного сигнала стандартной точности (C/A-кода) отменено. Все НКА используют одни и те же несущие частоты, но каждый использует свой код, то есть используется кодовый принцип разделения сигналов. 

В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС начались в 1982 году запуском спутника “Космос-1413”. Основным разработчиком по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам - ПО “Полёт” (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определён Российский институт радионавигации и времени.

В 1995г было завершено развёртывание системы ГЛОНАСС до её штатного состава. Но затем из-за отсутствия финансирования орбитальная группировка сократилась до минимума. Новое возрождение группировки началось с декабря 2003 г. когда был запущен в опытную эксплуатацию первый НКА серии “Глонасс-М”.

В системе ГЛОНАСС в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты, вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте» 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. НКА размещаются в трех орбитальных плоскостях по восемь спутников в каждой плоскости. Долготы восходящих узлов орбитальных плоскостей различаются на 120°. Орбитальным плоскостям присвоены номера 1, 2, и 3. Возрастание порядкового номера орбитальной плоскости производится в направлении вращения Земли. Навигационным спутникам из первой орбитальной плоскости присвоены системные номера от 1 до 8, из второй орбитальной плоскости - от 9 до 16, а из третьей орбитальной плоскости - от 17 до 24. Системные номера НКА в орбитальных плоскостях возрастают в направлении против движения НКА. 

Интерфейс между подсистемой космических аппаратов и навигационной аппаратурой потребителей (НАП) состоит из радиолиний L-диапазона частот. Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц).

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. НКА. В настоящее время для уменьшения диапазона занимаемой частоты НКА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости, передают навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.

Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов НКА ГЛОНАСС в частотных поддиапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями:

                      f _K1  = f₀₁ + КDf₁,   f _K2 = f₀₂ + КDf₂, где

К – номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НКА в частотных поддиапазонах L1 и L2, соответственно;

       f ₀₁ = 1602 МГц;            Df ₁ = 562,5 кГц, для поддиапазона L1;

       f ₀₂ = 1246 Мгц;             Df ₂ = 437,5 кГц, для поддиапазона L2.

До 2005 г находящиеся в эксплуатации спутники ГЛОНАСС использовали номера частот К = 0...12. После 2005 г. для исключения влияния на радиотелескопы все спутники ГЛОНАСС, используют номера частот К = (-7...+6).

Навигационный L1 радиосигнал 1600 МГц – двухкомпонентный. На заданной несущей частоте в радиопередатчике формируется два фазоманипулированных сигнала: узкополосный (стандартной точности, СТ) и широкополосный (высокой точности, ВТ). Узкополосный навигационный радиосигнал 1600 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° с помощью модулирующей псевдослучайной последовательности, которая образуется сложением по модулю 2 трех двоичных сигналов: псевдослучайной последовательности дальномерного кода, передаваемой со скоростью 511 кбит/с; сигналов цифровой информации (ЦИ) навигационного сообщения, передаваемой со скоростью 50 бит/с; меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с. Широкополосный навигационный радиосигнал 1600МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной последовательностью с тактовой частотой F=5.11МГц.

Навигационный L2 радиосигнал 1250 МГц, излучаемый НКА первой модификации, - однокомпонентный широкополосный шумоподобный радиосигнал, образуемый посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной последовательностью с тактовой частотой F=5.11МГц без инвертирования, то есть без передачи цифровой информации. Навигационный L2 радиосигнал 1250 МГц, излучаемый НКА второй модификации - “Глонасс-М”, содержит два радиосигнала. Первый - узкополосный радиосигнал с псевдослучайной последовательностью (F=0.511МГц, Т=1 мс). Второй - широкополосный радиосигнал с псевдослучайной последовательностью (F=5.11МГц) без передачи цифровой информации.  

Координаты местоположения определяются на основе определения псевдодальностей до нескольких НКА, координаты которых рассчитываются по т.н. эфемеридным данным, передаваемым каждым НКА в составе навигационного сообщения.  Так как шкала времени бортовой аппаратуры ЛА смещена относительно шкалы времени СНС, то определяется не дальность, а псевдодальность. Для определения четырёх неизвестных    X, Y, Z, D t необходимо иметь псевдодальности, как минимум, до четырёх НКА. Тогда решая систему уравнений вида (10.2) получают все неизвестные

                                         (10.2)

где c – скорость распространения электромагнитных волн;

       Δτ – смещение шкалы времени бортовой аппаратуры ЛА относительно шкалы времени СНС;

Создание спутниковых радионавигационных систем осуществлялось в соответствии с требованиями, определяемыми их первоначальным целевым назначением.

Требования к навигационному обеспечению впервые в нашей стране сформулированы в Российском радионавигационном плане (РРНП). В нём учтены положения документов основных международных организаций, в том числе ИКАО (Международная организация гражданской авиации). Требования к точности определения местоположения дополнены требованиями к доступности, целостности и непрерывности, которые зависят от этапов полета, интенсивности движения и приводятся в составе требуемых навигационных характеристик (Required Navigation Performance - RNP). 

В таблице 10.1 приведены общие требования к характеристикам сигналов на различных этапах полёта указанные в РРНП-2008.

 

Типовая операция	Точность координат м, Р=95%	Точность по высоте м, Р=95%	Целост-ность	Врем предупреж, с	Непрерыв- ность	Эксплуат. готовн.
На маршруте	3700	Не назначена	1-10^-7/ч	300	От 1-10^-4/ч до 1-10^-8/ч	От 0,99 до 0,99999
На маршруте и в зоне аэродрома	740	Не назначена	1-10^-7/ч	15	От 1-10^-4/ч до 1-10^-8/ч	От 0,99 до 0,99999
Начальный заход, промежут заход, неточный заход (NPA), вылет	220	Не назначена	1-10^-7/ч	10	От 1-10^-4/ч до 1-10^-8/ч	От 0,99 до 0,99999
Заход на посадку с управлением по вертикали (APV-I)	16	20	1-2×10^-7 за заход	10	1-8×10^-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999
Заход на посадку с управлением по вертикали (APV-II)	16	8,0	1-2×10^-7 за заход	6	1-8×10^-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999
Точный заход на посадку по категории I	16	От 6,0 до 4,0	1-2×10^-7 за заход	6	1-8×10^-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999

Таблица 10.1

Доступность (эксплуатационная готовность) – это способность радионавигационной системы обеспечить проведение навигационных определений в заданный момент времени в определенной зоне действия. Доступность радионавигационной системы характеризуется вероятностью получения потребителем в рабочей зоне достоверной навигационно-временной информации в определенный период времени и с требуемой точностью.

Целостность РНС – это способность РНС выдавать потребителю своевременное и достоверное предупреждение в тех случаях, когда какие-либо сигналы нельзя использовать по целевому назначению в полном объеме. Характеризуется соответствующей вероятностью.

Непрерывность обслуживания (функционирования)- это способность навигационной системы обеспечивать навигационное обслуживание потребителей в течение заданного временного интервала без отказов и перерывов. Характеризуется вероятностью.

Однако штатные средства ГНСС  ГЛОНАСС и GPS не могут удовлетворить эти потребности по точности и оперативности оповещения потребителей о нарушениях целостности. Пользовательские алгоритмы контроля целостности на основе внутренней избыточной информации (RAIM) также не обеспечивают надежного обнаружения нарушения целостности при неблагоприятной геометрии НКА.

Решение указанных задач возможно при применении комплекса функциональных дополнений (КФД), который включает в себя комплекс дифференциальных систем и систему мониторинга. В основе метода дифференциальной навигации лежит относительное постоянство значительной части погрешностей ГНСС. Предполагается наличие как минимум двух спутниковых приёмников, один из которых называется базовой станцией. Базовая станция устанавливается в точке с известными географическими координатами. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными координатами, базовый навигационный приёмник формирует поправки, которые передаются потребителям по каналам связи.

Функциональные дополнения делятся на внутренние и внешние. Внутренние функциональные дополнения имеет общее название ABAS. Если для контроля используется только избыточное количество спутников, то имеет место операция RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Если используются данные других систем борта, то имеет место операция AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring). К внешним относят несколько видов КФД.   Спутниковые системы функционального дополнения SBAS (Satellite Based Augmentation System), в которые входят широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС). Наземные региональные системы функционального дополнения GRAS (Ground-based Regional Augmentation System), с региональными дифференциальными подсистемами (РДПС) и наземные локальные системы функционального дополнения GBAS (Ground Based Augmentation System)  с локальными дифференциальными подсистемами (ЛДПС).

Передача дифференциальных поправок по радиоканалу может выполняться по выделенным частотным линиям, на частотах любительских радиостанций, по системам спутниковой связи (например, Inmarsat), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM - радиостанций. Причем иногда даже нет необходимости иметь GPS - приемник на базовой станции, поскольку во многих странах уже действует развитая сеть DGPS - станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию.

Американская корпорация DCI (Differential Corrections Inc.) распространяет дифференциальные поправки на всю континентальную часть США, используя для ретрансляции радиосигналов спутники связи Galaxy.

Информация о поправках от наземных систем передаётся в формате RTCM SC-104, рекомендованном специальным комитетом № 104 Радиотехнической комиссии по морским службам. Ссылка на этот формат приведена в ГОСТ Р 52866-2007.