Спутниковые радионавигационные системы

Наземный комплекс управления.

Наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НКА выполняет четыре группы задач:

- эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА;

- мониторинг радионавигационного  поля;

- радиотелеметрический мониторинг  НКА;

- командное и программное  радиоуправление функционированием  НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10-14. В состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешностью 3–5 нс.

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. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС представлен на   рис. 1.2.6. Эфемеридное обеспечение (ЭО) НКА означает: определение и прогноз параметров движения НКА и «закладку» на борт НКА эфемеридной информации (ЭИ) для кадров цифровой информации (ЦИ) в навигационных радиосигналах.

Частотно-временное обеспечение (ЧВО) НКА означает определение и прогноз бортовой шкалы времени (БШВ) относительно шкалы времени (ШВ) системы и «закладку» на борт НКА частотно-временных поправок (ЧВП) к БШВ, помещаемых в кадры ЦИ в навигационных радиосигналах.

Определение и прогноз параметров движения НКА осуществляет Баллистический центр (БЦ) системы на основе результатов траекторных измерений дальности и радиальной скорости НКА, поступающих от сети наземных радиотехнических «запросных» командно-измерительных пунктов (КИП). В НКУ используются не менее трех КИП, расположенных на территории России (западная, центральная, восточная) на географической широте в пределах 50°...60°с.ш. КИП на географической широте не менее 50°с.ш. «наблюдает» каждый НКА при углах возвышения не менее 5° в течение сеансов длительностью 1...5 ч на каждом витке орбиты НКА.

Сегмент наземного комплекса управления Navstar GPS представлен на          рис. 1.2.7. Комплекс выполняет аналогичные ГЛОНАСС задачи. В наземных комплексах управления системы Navstar GPS, в отличие от системы ГЛОНАСС, подсистемы эфемеридного обеспечения и частотно-временного обеспечения построены совместно.

Министерство Обороны США управляет системой с помощью четырёх наземных станций управления - главная станция и три станции управления потоками данных: Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают информацию на главную станцию.

Главная станция вычисляет поправки синхронизации атомных часов спутников. Она также исправляет орбитальную информацию (эфемериды спутников). Главная станция передаёт результаты своей работы станциям загрузки.

Станции управления потоками данных обновляют информацию, передаваемую каждым спутником, используя данные, полученные от главной станции.                                                   

 

Рис. 1.2.6. Сегмент наземного комплекса управления ГЛОНАСС.

 

Рис. 1.2.7. Сегмент наземного комплекса управления Navstar GPS.

 

 

 

1.3. Задачи и области  применения спутниковых радионавигационных  систем.

Основной задачей, выполняемой в СРНС с помощью сегментов высокоорбитальных навигационных систем, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребителей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известными координатами. Выбор концепции независимой навигации и использование беззапросных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропускной способности СРНС.

Назначение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) очень обширно. Области использования СРНС весьма разнообразны. Ими осуществляется:

- Организация воздушного и морского  движения, повышение безопасности  полетов и мореплавания;

- Геодезия и картография, составление  земельных и лесных кадастров, строительство дорог, прокладка  коммуникаций и трубопроводов  контроль сейсмически опасных  районов, геология и разведка  полезных ископаемых, разработка  нефтяных и газовых месторождений  на участках прибрежных шельфов, определение параметров вращения  Земли и т.д.;

-  Мониторинг наземного  транспорта, организация и управление движением    грузов,    междугородним    железнодорожным    и    автотранспортом;

-  Создание «интеллектуальных»  транспортных средств;

-  Экологический мониторинг, организация  поисково-спасательных работ;

- Локальная  высокоточная  навигацию  подвижных  объектов  на  основе  дифференциальных методов навигации  с применением стационарных наземных  корректирующих (опорных) станций;

- Высокоточная  взаимная  геодезическая  привязка  удалённых  наземных  стационарных объектов;

- Взаимная синхронизация стандартов  частоты и времени на удалённых  наземных стационарных объектах;

- Оперативная автономная навигация  низкоорбитальных космических объектов.

 

2. Обобщённая структурная  схема СРНС.

2.1. Принцип построения СНРС.

Структура, способы функционирования и требуемые характеристики подсистем СРНС во многом зависят от заданного качества навигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений. Для достижения таких важнейших качеств, как непрерывность и высокая точность навигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе современной СРНС типа ГЛОНАСС и GPS функционируют три основные подсистемы (рис. 2.1.1):

Рис. 2.1.1. Глобальная спутниковая радионавигационная система.

- космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных ИСЗ (в дальнейшем ее называем сетью навигационных спутников (НС) или космическим сегментом);

- контроля и управления (ПКУ) (наземный  командно-измерительный комплекс (КИК) или сегмент управления);

- аппаратура потребителей (АП) СРНС (приёмоиндикаторы (ПИ) или сегмент потребителей). Разнообразие видов приёмоиндикаторов СРНС обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах   ближнего космоса) потребителей.

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребителей на основе беззапросных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известными координатами.

Выбор концепции независимой навигации и использование беззапросных измерений обеспечили возможность достижения неограниченной пропускной способности СРНС. По сравнению с зависимой навигацией, не предусматривающей процедуры вычислений ПВК в ПИ СРНС, произошло усложнение аппаратуры потребителей. Однако современные достижения в области технологий сделали возможной реализацию таких подходов при решении проблемы навигационных определений в СРНС.

Высокая точность определения местоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и параметры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспечивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.

В настоящее время считается целесообразным введение в состав СРНС региональных дополнительных систем, обеспечивающих реализацию наиболее строгих требований потребителей. Эти структуры позволяют существенно повысить точность обсерваций, обнаруживать и идентифицировать нарушения в режимах работы СРНС, недопустимое ухудшение качества ее функционирования и своевременно предупреждать об этом потребителей, т. е. они могут осуществлять контроль целостности системы и поддерживать режим дифференциальных измерений.