Инструкции по использованию аппаратуры «БРИЗ» - Основные сведения о СПУТНИКОВЫХ навигационных системах ГЛОНАСС и GPS

1. Общие характеристики, принципы построения и функционирования CНС
Спутниковые навигационные системы (СНС) – это радионавигационные системы (РНС), в которых используются радионавигационные поля, формируемые радионавигационными точками (РНТ) в виде искусственных спутников земли – космических аппаратов (КА), несущих навигационную аппаратуру. Космические аппараты являются аналогом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС.
К СНС, получившим наибольшее распространение относятся Российская система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и Американская НАВСТАР (NAVigation System for Timing And Ranging), имеющая также название GPS (Global Positioning System).
Особенности СНС
Быстрое развитие и расширяющееся использование СНС обусловлены достоинствами, вытекающими из особенностей их структуры.
К этим особенностям можно отнести:
1.      Высокая скорость относительного перемещения КА и потребителя. С ней связаны возможности:
-           применения радиально-скоростного метода навигационных определений и высокий уровень быстродействия всех звеньев системы;
-           в течение ограниченных интервалов времени получать значительные объемы измерительной информации;
-           для навигационных определений при числе КА, меньшем числа определяемых координат.
2.      Работа в диапазоне УКВ. С чем связана возможность использования широкополосных сигналов и их пространственной селекции.
3.      Орбитальное движение передатчика сигналов позволяет каждым из них обслуживать обширные территории, примыкающие к следу орбиты, ширина которых возрастает с увеличением высоты орбиты.
СНС ГЛОНАСС и GPS основанные на использовании координированной по движению и излучению сигналов сети КА, выступают как глобальные навигационные спутниковые системы непрерывного действия и практически мгновенных навигационных определений.
Общая характеристика элементов СНС
Несмотря на различия в системах ГЛОНАСС и GPS в их составе могут быть выделены следующие подсистемы:
-          подсистемы космических аппаратов (ПКА);
-          подсистемы контроля и управления (ПКУ);
-          навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Далее дадим краткую характеристику каждой подсистеме.

ПКА выбирается из соображений обеспечения заданной кратности глобального покрытия зонами видимости, заданной точности местоопределения и минимальной взаимной интерференции принимаемых сигналов. Для СНС наиболее выгоднейшей конфигураций признана система из 24 КА, размещенных равномерно на круговых орбитах, высотой около 20000 км.
Каждый КА такой сети дважды в сутки пересекает экватор. Подспутниковая точка перемещается по замкнутой кривой, две волны которой охватывают все долготы. Все КА сети излучают сигналы одинаковой структуры, используемые для измерений дальности и радиальной скорости. Индивидуальным для каждого КА является содержание передаваемой им служебной информации. Наряду с этим применяются различные способы доступа к используемым сигналам.
Одновременно с гражданскими потребителями СНС также обслуживают и военных потребителей (корабли, самолеты, КА, наземные транспортные средства, десантные группы и т. п.). К сигналу, обеспечивающему предельно точную навигацию, имели доступ только военные потребители, а для других потребителей он затруднен.
Содержанием служебной информации являются: частотно-временные поправки для данного КА и его эфемериды, альманах, телеметрическая (ТЛМ) информация, ключевые слова, поправки на распространение радиоволн и иная информация, повышающаяся точность и надежность навигационного сеанса. Вся эта информация компонуется определенным образом в виде кадра, распадающегося на строки, и передается с известной периодичностью.

Служит для управления полетом и работой бортовых систем всех КА как носителей навигационных сигналов и в первую очередь для снабжения их информацией, необходимой для проведения высокоточных и надежных навигационных сеансов. В число задач комплекса входят:
-           проведение траекторных измерений для определения орбит всех КА и временных измерений для определения расхождений бортовых шкал времени всех КА с системным временем;
-           предсказание для каждого КА его будущих эфемерид и ухода бортового времени; формирование массива служебной информации с включением в него спрогнозированных эфемерид, альманаха и поправки бортовой шкалы времени, а также прочих поправок для каждого КА;
-           закладка массива служебной информации в память каждого КА для модуляции навигационных сигналов;
-           контроль по телеметрическим каналам за работой систем сети КА и диагностика их состояния;
-           управление по командному каналу полетом всех КА и работой их бортовых систем.


Выполняет следующие операции:
-           выбор из всей совокупности видимых КА рабочего созвездия;
-           расчет для выбранной группы КА ожидаемых значений угловых координат, дальности и радиальной скорости; поиск в каждом из каналов сигналов КА по пространству, временной задержке и доплеровскому смещению частоты, а также по кодовому номеру КА;
-           вхождение в слежение за сигналом, выделение и декодирование эфемеридной информации;
-           измерения временной задержки сигнала и его доплеровского смещения;
-           обработку измерительной и эфемеридной информации от всех КА для определения координат и составляющих скорости;
-           набор из последовательных кадров сигнала одного из КА полного сборника альманаха;
-           оценку точности проведенного навигационного решения.
Для полностью развернутой системы из 24 КА над радиогоризонтом потребителя в зависимости от условий (место и высота полета) может располагаться от 5 до 11 КА (одной из СНС). Выбор рабочего созвездия основываться на отыскании четверки, образующей тетраэдр наибольшего объема. По этому критерию наивыгоднейшей будет такая конфигурация, при которой один КА находится в зените потребителя, а три остальных — как можно ближе к горизонту, с максимальными взаимными удалениями.
В процессе обработки информации решается главная функциональная задача — определяются координаты (параметры движения) потребителя. При этом метки времени, переданные каждым из КА, уточняются с помощью временных поправок, учитывающих смещение данной спутниковой шкалы относительно системного времени. Учитываются также релятивистские смещения принимаемой частоты, обусловленные различием гравитационных потенциалов КА и потребителя и сравнимостью их относительной скорости перемещения со скоростью света. В измерения вносятся поправки на влияние тропосферы и ионосферы. Эфемериды, относящиеся к ближайшей временной точке, экстраполируются на уточненные моменты проведения измерений.
Так же в подсистему СНС можно включить и космодром, хотя в повседневном функционировании системы он не принимает активного участия. Космодром обеспечивает вывод КА на требуемые орбиты при первоначальном развертывании системы, а также периодическом восполнении числа КА по мере выработки каждым из них ресурса.
2. Особенности системы ГЛОНАСС
Назначение системы ГЛОНАСС
Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.
Состав системы ГЛОНАСС
Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем:
-          подсистемы космических аппаратов (ПКА);
-          подсистемы контроля и управления (ПКУ);
-          навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
ПКА системы ГЛОНАСС должна состоять из 24-х КА, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, сами плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°.
Навигационные определения
Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до трех и более КА ГЛОНАСС, а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется «привязка» шкалы времени потребителя к шкале Госэталона Координированного Всемирного времени UTC (SU).
В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов КА в 2-х поддиапазонах L1 и L2 (L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц). Каждый КА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. КА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные КА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.
В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 КА ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности.
Сигнал высокой точности модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.
Сигнал стандартной точности является доступным для всех потребителей, которые оснащены соответствующей НАП и в зоне видимости которых находятся КА ГЛОНАСС. В системе ГЛОНАСС не используется режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала стандартной точности.
Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым КА системы ГЛОНАСС на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом.
Частотный план
Распределение номинальных значений несущих частот по номерам литер приведено в таблице 1.
Предусматривается поэтапное изменение частотного диапазона ГЛОНАСС:
1998 — 2005 г.г.
На этом этапе находящиеся в эксплуатации КА ГЛОНАСС будут использовать без ограничений номера частот К = 0…12. Номера частот К = 0,13 будут использоваться как технологические.
С 2005 г.
На этом этапе все, находящиеся в эксплуатации КА ГЛОНАСС, будут использовать номера частот К = (-7…+6), причем номера K = +5 и K = +6 будут использоваться лишь как технологические в ограниченные периоды времени (например, при восполнении орбитальной подсистемы).

Распределение несущих частот поддиапазонов L1 и L2.

Навигационное сообщение
Передаваемое КА ГЛОНАСС в навигационных радиосигналах навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация относится к тому КА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал. Неоперативная информация (альманах системы) относится ко всем КА, входящим в состав ПКА.
Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации (ЦИ) со скоростью 50 бит/с. Структурно поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров. Суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк ЦИ. Суперкадр имеет длительность 2,5 мин и состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с.
В пределах каждого суперкадра передается полный объем неоперативной информации (альманах) для всех 24 КА системы ГЛОНАСС.
В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного КА и часть неоперативной ЦИ.
Время системы ГЛОНАСС
Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы (ЦС). Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC (SU) не должна превышать 1 мс. Погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC (SU) не должна превышать 1 мкс.
Шкалы времени каждого КА ГЛОНАСС периодически сверяются со шкалой времени ЦС. Поправки к шкале времени каждого НКА относительно шкалы времени ЦС вычисляются в ПКУ ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются на борт каждого НКА.
Система координат
Передаваемые каждым КА системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90.
Эта система координат относится к декартовым системам типа ECEF (Earth-centered Earth-fixed, т. е. начало координат расположено в центре масс Земли и направления осей связаны с Землей).
Основные характеристики ГЛОНАСС
Основные характеристики ГЛОНАСС представлены в таблицах 2.
Таблица 2.

Системные характеристики ГЛОНАСС

Назначение системы GPS

Глобальная спутниковая радионавигационная система GPS предназначена для всепогодного, пассивного, непрерывного в реальном масштабе времени, глобального и устойчивого к различным помехам, высокоточного навигационно-временного обеспечения всех потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближнем космическом пространствах.
Состав системы GPS
Система GPS состоит из трех подсистем:
-          подсистемы космических аппаратов (ПКА);
-          подсистемы контроля и управления (ПКУ);
-          навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
ПКА системы GPS состоит из 24-х КА с включением в нее 3-х резервных КА, находящихся на круговых орбитах высотой 20145 км, наклонением 55° и периодом обращения 11 часов 56 минут 54 секунды в шести орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости распределены своими узлами равномерно в экваториальной плоскости.
Навигационные определения
Навигационной аппаратурой потребителей системы GPS измеряются псевдодальности и радиальная псевдоскорости до трех и более КА GPS, а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении закладывается соответствующая служебная информация, содержащая эфемериды, альманах, частотно-временные поправки (обеспечивающие привязку шкалы времени потребителя к шкале Координированного Всемирного времени UTC), метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры.
p/2 для удобства их разделения. Для исключения ионосферной ошибки применяется 2-частотный способ измерений. В связи с этим наряду с частотой L1 предусмотрена когерентная ей частота L2 = 1227.6 МГц, которая тоже модулируется точным измерительным кодом P.
В системе GPS используется кодовое разделение навигационных радиосигналов КА. Коды формируются двумя генераторами на борту КА и имеют индивидуальную окраску. Из большого числа возможных состояний выбирают всего 37, которые порождают коды с хорошими взаимокорреляционными свойствами. Таким образом, появляется возможность идентифицировать по коду все спутники системы, одновременно применяемое число, которых составляет 24.
Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым КА системы GPS в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом.
Навигационное сообщение
Передаваемое КА GPS в навигационных радиосигналах навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация относится к тому КА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал. Неоперативная информация (альманах системы) относится ко всем КА, входящим в состав системы GPS.
Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации со скоростью 50 бит/с. Структурно поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров. Суперкадр имеет длительность 12,5 мин и состоит из 25 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров длительностью 6 с. В пределах каждого кадра передается 1/25 альманаха GPS. Поэтому для сбора полного альманаха требуется прием 25 кадров. В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного НКА и часть неоперативной ЦИ.
Время системы GPS
В системе GPS используется так называемое системное время, которое отличается от универсального координированного времени UTC. Это связано с тем, что системное время GPS – непрерывная шкала времени, в то время как UTC исправляется периодически целым числом секунд, скачком. Навигационные данные содержат необходимые данные для связи времени GPS с UTC.
Система координат
Передаваемые каждым КА системы GPS в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного КА в связанной с Землей геоцентрической системе координат WGS-84. Эта система координат относится к декартовым системам типа ECEF (Earth-centered Earth-fixed, т. е. начало координат расположено в центре масс Земли и направления осей связаны с Землей).
Основные характеристики GPS
Основные характеристики GPS представлены в таблицах 3.

Таблица 3.

Системные характеристики GPS