§ 14.2. СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Несоответствие СРНС первого поколения требованиям высокоточного непрерывного навигационного обеспечения привело к разработке нового, второго, поколения СРНС. Характерными особенностями СРНС второго поколения являются применение средневысотных (среднеорбитных) ИСЗ и использование для навигационных определений сигналов нескольких одновременно находящихся в зоне радиовидимости ИСЗ. В состав СРНС входят подсистема ИСЗ, подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс) и подсистема аппаратуры потребителей.

В состав космической подсистемы входят 18—24 ИСЗ, размещенные равномерно в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120° (рис. 14.4). Высота орбит ИСЗ 20 000 км, период обращения 12 ч. В зоне радиовидимости потребителя в любой момент может находиться от 4 до 11 ИСЗ, что обеспечивает возможность непрерывного определения трех координат (долгота, широта, высота). СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Временные шкалы всех ИСЗ согласованы между собой и синхронизируется системой единого времени. Подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс) осуществляет слежение за ИСЗ и обеспечивает спутники информацией, необходимой для формирования радионавигационных сигналов и навигационных сообщений.

Навигационная аппаратура потребителей (подсистема аппаратуры потребителей) производит выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и слежение за сигналами, обработку измеряемых РНП и эфемеридной информации для определения координат и составляющих скорости потребителей.

В рассматриваемой СРНС ИСЗ излучают двоичный фазоманипули-рованный сигнал (см. § 6.4), код которого является индивидуальной принадлежностью каждого ИСЗ. Это позволяет всем ИСЗ работать на общей несущей частоте, не создавая заметных внутрисистемных Рис. 14.4 помех.

Рис. 14.4

Измеряемыми радионавигационными параметрами служат время запаздывания и до-плеровское смещение частоты принимаемого радионавигационного сигнала относительно его образца, формируемого на борту потребителя. Фазоманипулированный сигнал, имеющий базу ( — эффективная ширииа спектра; — период кода), излучается на несущей частоте , обеспечивая высокую точность измерения обоих параметров. Время запаздывания принятого сигнала относительно шкалы времени потребителя включает начальное расхождение шкал времени потребителя и ИСЗ и задержку распространения сигнала на трассе ИСЗ — потребитель. Если фазы опорных генераторов потребителя и ИСЗ совпадают (расхождение шкал времени равно нулю), то измеряемое время запаздывания пропорционально дальности между ИСЗ и потребителем. В противном случае оно пропорционально квазидальности (псевдодальности) и для оценки координат необходимо использовать квазидальномерные или разностно-дальномерные измерения подобно тому, как это делается в наземных РНС.

Измерение времени запаздывания принимаемого сигнала производится на основе корреляционного метода. Формируемая в приемнике копия сигнала ИСЗ перемножается с принятым сигналом, образуя корреляционную функцию. Выходной сигнал коррелятора достигает максимального значения, пропорционального числу элементов кода, когда формируемая копия (образец) совпадает по времени и частоте с принимаемым сигналом. Получаемый максимум функции корреляции пропорционален времеии интегрирования в корреляторе. Выбором достаточно большого времени интегрирования достигается высокая точность измерения.

Поиск максимума функции корреляции на плоскости время—частота тем надежнее, чем меньше уровень боковых лепестков. В связи с тем что сигналом является двоичная ФМ-последовательность большой длины (), уровень боковых лепестков сравнительно мал (см. § 6.4) и они практически не влияют на надежность поиска.

В связи с тем что для определения координат необходимо иметь сведения о местоположении ИСЗ на каждый момент времени, в рассматриваемой СРНС, как и в СРНС первого поколения, на борту потребителя следует располагать эфемеридной информацией.

Рис. 14.5

Для этого на борту ИСЗ дальномерный ФМ радионавигационный сигнал подвергается дополнительной фазовой манипуляции на 0 и 180° в соответствии с информационным сообщением, представленным последовательностью нулей и единиц. Требуемая скорость передачи информации (эфемериды, поправки на распространение радиоволн и др.) невелика (около 50 бит/с), поэтому длительность одного информационного символа составляет приблизительно 20 000 мкс, в то время как период дальномерного кода—около 1000 мкс, что практически исключает влияние передаваемого сообщения на качество измерения псевдодальностей на борту потребителя. Таким образом, выделяемый на борту потребителя информационный сигнал несет сведения о параметрах движения ИСЗ, а дальномерный радионавигационный сигнал—сведения о параметрах движения потребителя относительно ИСЗ. Для составления навигационных уравнений удобно использовать систему декартовых координат (рис. 14.5) с началом в центре Земли (геоцентрическую прямоугольную систему координат). Обозначив через и координаты ИСЗ и потребителя, квадрат расстояния между ними представим как

Если бы шкалы времени ИСЗ и потребителя были точно совмещены, то для нахождения координат достаточно было бы измерить три РНП ( — расстояния до трех ИСЗ), составить систему из трех уравнений вида (14.4) и найти из нее три неизвестные: . При наличии расхождения шкал времени измеренная квазидальность включает величину с , поэтому система уравнений принимает вид

где индекс соответствует номеру ИСЗ. Для расчета и требуется измерить четыре РНП () и решить систему из четырех уравнений (14.5).

Система уравнений (14.5) может быть использована для определения координат как при дальномерных, так и при квазидальномерных измерениях. В первом случае и для решения задачи можно ограничиться лишь тремя уравнениями . При квазидальномерных измерениях шкалы времени потребителя и ИСЗ не совмещены, но неизменно в процессе навигационного сеанса. Поэтому для решения задачи необходимо провести дополнительное, четвертое, измерение , дополнив таким образом число уравнений до четырех.

Заметим, что система уравнений (14.5) может быть преобразована к виду

где — измеренная разность дальностей между потребителем и двумя ИСЗ ( и первым). Система (14.6) состоит из трех уравнений и позволяет найти координаты по результатам разностно-дальномерных измерений.

Возвращаясь к решению навигационной задачи при квазидальномерных измерениях, укажем на возможность оценки составляющих вектора скорости потребителя по результатам измерений разности частот принятого сигнала и бортового опорного генератора. Для этого вновь обратимся к системе уравнений (14.5). Переход от измерения дальностей (квазидальностей) к измерению скоростей (квазискоростей) позволяет с помощью дифференцирования по времени уравнений (14.5) вычислить значения составляющих вектора скорости потребителя . Прежде чем перейти к формальной записи новой системы уравнений, целесообразно рассмотреть влияние изменения величины в процессе измерений на погрешности определения координат и скорости потребителя. При высокой стабильности опорных генераторов и достаточно высокой точности установки их номинальных частот изменение за время навигационного сеанса невелико и при нахождении координат потребителя им можно пренебречь. При измерении же скорости зависимость от времени существенно влияет на погрешность измерения.

Для количественной оценки этого влияния рассмотрим характерный для СРНС пример. Пусть несущая частота сигнала . Относительное расхождение номиналов частот опорных генераторов потребителя и ИСЗ равно , что соответствует абсолютному расхождению 0,1 Гц.

В этом случае шкалы времени потребителя и ИСЗ перемещаются друг относительно друга на 1 нс за 1 с, что соответствует изменению дальности со скоростью 0,3 . Если время, затрачиваемое на измерение дальности (квазидальности), равно 1 с, то пренебрежение изменением приведет к погрешности , что намного меньше погрешностей, обусловленных другими причинами (изменчивость условий распространения радиоволн, инструментальные ошибки, влияние помех и . Если же измеряемым параметром является скорость, то при тех же условиях погрешность измерения радиальной скорости составит , что существенно превышает допустимую погрешность измерения скорости.

С учетом изложенного после дифференцирования (14.5) получим

или

где - поправка радиальной скорости за счет расхождения частот опорных генераторов потребителя и ИСЗ; .

Имея в виду, что и определены на первом этапе решения навигационной задачи [при решении системы уравнений (14.5)] транслированы на борт потребителя информационным сообщением, а сумма измерена на борту потребителя с помощью сравнения частот принятых сигналов с частотой опорного генератора, получаем систему из четырех уравнений с неизвестными и . Решение этой системы позволяет найти значения составляющих вектора скорости потребителя и поправку на сдвиг частоты его опорного генератора относительно частоты генератора ИСЗ.