ВВЕДЕНИЕ

Спутниковая навигация — новая, быстро развивающаяся ветвь навигации подвижных объектов. Она явилась одной из первых областей прикладной космонавтики, ориентированной на удовлетворение потребностей практической деятельности человека. Навигация по спутникам Земли начала развиваться с появлением первых советских ИСЗ, опираясь на уже подготовленную теоретическую базу.

Впервые научно-исследовательские работы по навигационному использованию ИСЗ начались в Советском Союзе, в Ленинграде, в 1955 г. под руководством проф. В. С. Шебшаевича, причем первые их результаты были опубликованы уже в октябре 1957 г. [6]. Аналогичные проработки стали проводиться также в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород) под руководством проф. М. М. Кобрина. В 1958-59 гг. были определены структура и состав радионавигационной спутниковой системы, выбраны методы радионавигационных измерений и обоснованы основные проектные параметры системы с высотой орбиты 1000 км, что определило облик 1-го поколения спутниковых систем [8].

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) 1-го поколения, появившиеся в начале 60-х гг., быстро зарекомендовали себя как весьма точные и надежные средства морского судовождения. Их использование позволило оценить возможности применения СРНС также для воздушной навигации, для навигации наземных подвижных объектов, для определения параметров движения космических аппаратов (КА) и для систем управления движением.

Успешная эксплуатация советской СРНС «Цикада» получила наиболее яркую демонстрацию при обеспечении похода атомохода «Арктика» к Северному полюсу, когда с ее помощью предельно точно было зафиксировано достижение полюса [130]. В США с 1964 г. действует радиально-скоростная (допле-ровская) СРНС «Транзит», созданная по заказу ВМФ для навигационного обеспечения атомных подводных лодок, оснащенных баллистическими ракетами. В результате длительной отработки этой системы достигнуты высокие точности, которые для неподвижного потребителя (П), оборудованного 2-канальной

аппаратурой, характеризуются среднеквадратической погрешностью 32 м, причем при движении погрешности возрастают из-за неточности счисления.

Оказалось выгодным оснащать спутниковой навигационной аппаратурой и суда торгового флота, так как благодаря точности судовож дения удается настолько сэкономить время плавания и топливо, что бортовая аппаратура потребителя (БАП) окупает себя после первого же года эксплуатации [79].

Стал расширяться круг задач, решаемых на море с применением СРНС. В их число входят: обеспечение рыбных промыслов, координирование работ на прибрежном шельфе, географическая привязка гидрометеобуев и исследовательских платформ, определение места аварий и несчастных случаев и т. п.

Следует отметить, что техническая идеология и аппаратурные решения СРНС 1-го поколения оказали влияние на выбор принципов построения радиотехнической системы обнаружения терпящих бедствие и были использованы при создании международной системы «Коспас» — «Сарсат», в разработке которой приняли участие СССР, США, Канада и Франция [185]

Успехи применения СРНС 1-го поколения для морского судоходства стимулировали поиски возможностей применения навигационных ИСЗ (НИСЗ) для других потребителей. Была испытана самолетная аппаратура применительно к сигналам и «Цикады», и «Транзита». При этом оказалось, что погрешность определения местоположения слабо зависит от маневров самолета и определяется преимущественно погрешностями знания путевой скорости, не выходя за пределы 1,8 км [86].

Стало очевидным, что спутниковые системы можно использовать также для навигации наземных П, в особенности при движении в безориентирной местности. Наряду с этим возможность точного определения координат П не только на их борту, но и в выделенных наземных центрах навигации (НЦН) явилась основой для проектирования спутниковых систем связи и управления движением — воздушным («Аэросат») и морским («Марсат», «Инмарсат») [117].

СРНС 1-го поколения (типа «Цикада» и «Транзит») обладают, однако, существенным недостатком — при движении П точность местоопределения уменьшается из-за влияния погрешностей счисления. В самом деле, такие системы строят на нескольких (шести) НИСЗ, обращающихся по независимым орбитам высотой 1000 км, узлы которых равномерно распределяются по экватору. При такой структуре системы, во-первых, НИСЗ проходят через зону видимости наземного потребителя независимо друг от друга, в среднем через 1,5 ч на экваторе, что допускает проведение только дискретных навигационных сеансов; во-вторых, ввиду использования в сеансе лишь одного НИСЗ продолжительность измерений может доходить до 10... 16 мин.

Таким образом, большая длительность сеансов и значительные интервалы между ними делают неизбежным использование счисления координат, при этом ошибки счисления ограничивают точность местоопределения.

СРНС 2-го поколения создавались как системы, которым такие недостатки несвойственны. При обосновании и разработке структуры СРНС основное внимание было уделено принципам построения таких систем, которые обеспечивали бы для любых П (как движущихся, так и неподвижных относительно поверхности Земли) повышенную точность местоопределения, непрерывность навигационной работы и практически мгновенную выдачу определяемых параметров.

Первоначальные поиски связывались с совершенствованием низкоорбитальных СРНС 1-го поколения путем увеличения числа независимо обращающихся НИСЗ при подъеме высоты их орбиты с одновременным добавлением к доплеровскому каналу еще и дальномерного. Однако этот путь не мог привести к более радикальным решениям, чем непрерывное измерение двух параметров по двум НИСЗ.

Дальнейшее развитие идей непрерывной и одномоментной спутниковой навигации связано с изысканием путей определения полного вектора состояния включающего три пространственные координаты и три составляющие скорости. Поскольку при использовании пассивного метода измерения дальности (с хранением начала отсчета на борту П) необходимо дополнительно определять в навигационном сеансе также смещение бортовой временной шкалы, а для повышения точности радиально-скоростных (доплеровских) измерений требуется дополнительно определять смещение бортовой опорной частоты, число определяемых параметров возрастает с 6 до 8. Поэтому при измерении относительно каждого НИСЗ двух навигационных параметров (НП) для набора минимально необходимого числа измерений требуется одновременная видимость минимум четырех НИСЗ. В связи с этим детальной проработке подвергались такие варианты СРНС, которые обеспечивают в любой точке земной поверхности видимость не менее четырех НИСЗ или, иначе говоря, создают -кратное покрытие земной поверхности зонами видимости спутников.

Интерес приобрели высокие НИСЗ с суточным периодом обращения как обладающие значительной зоной видимости (угловой диаметр 162°), локализованной в определенном районе земной поверхности. Однако практического применения они пока не нашли (см. §23.3).

Основное внимание сосредоточилось на средневысоких орбитах. Спутники на таких орбитах имеют достаточно обширную зону видимости и позволяют уверенно выполнять по ним радиально-скоростные измерения.

На среднеорбитных спутниках оказывалось возможным реализовать важную для нового поколения СРНС техническую идею — координацию пространственного расположения НИСЗ на орбитах и координацию по времени излучаемых спутниками сигналов. Именно координация движения всех НИСЗ придает системе сетевые свойства, которых она лишается при отсутствии коррекции положения НИСЗ.

С конца 60-х и в 70-е гг. в Советском Союзе и в США отрабатывались отдельные принципы и технические решения среднеорбитных СРНС, причем применялись специальные технологические навигационные спутники. В результате этих крупномасштабных работ уточнился общий облик СРНС 2-го поколения и определились основные варианты аппаратурных решений. Созданные независимо в Советском Союзе и в США варианты СРНС 2-го поколения оказались достаточно близкими, что создало предпосылку для их будущего совместного использования.

В Советском Союзе СРНС 2-го поколения получила наименование «Глонасс» (Глобальная навигационная спутниковая система). В США в качестве системы 2-го поколения была принята СРНС, названная «Навстар» (Navstar-Navigational Satellite Time and Ranging - навигационный спутник измерения времени и координат) или по ее фактическому назначению GPS (Global Positioning System - глобальная система местоопределеиия). Основные свойства обеих СРНС определяются выбором системы НИСЗ (баллистическим построением), высокой стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а также действенными способами устранения и компенсации ряда погрешностей.

СРНС 2-го поколения являются сетевыми системами непрерывного действия, обеспечивающими глобальное высокоточное определение полного вектора состояния П. Сеть НИСЗ развертывается из 18—24 спутников, координирование обращающихся по круговым орбитам высотой около (период обращения 12 ч), лежащим в 3—6 пересекающихся плоскостях с наклонением так, что на каждой из орбит равномерно размещается Определение пространственных координат и составляющих скорости основывается на даль-номерных и доплеровских измерениях. Параметры системы и ее отдельных звеньев, а также математическое обеспечение (МО) выбираются так, чтобы точность навигационных определений оценивалась значениями но координатам до 10 м, по скорости до 0,05 м/с [139, 143].

В 1988 г. сети НИСЗ систем «Глонасс» и «Навстар» удалось развить примерно до половинного состава. К этому времени было объявлено о предоставлении систем «Навстар» и «Глонасс» в международное пользование [187, 190] и были

опубликованы их основные характеристики, уточненные несколько позднее в [214, 226]. Разработка системы «Глонасс» проводилась крупными коллективами под руководством акад. М. Ф. Решетнева, докторов техн. наук Ю. Г. Гужвы, Л. И. Гусева, Н. Е. Иванова, А. Г. Геворкяна. Фирмам любой страны была предоставлена возможность создавать аппаратуру потребителей (АП) для навигации любых объектов по сигналам как «Навстара», так и «Глонасса».

Выявилась целесообразность совместного использования сигналов обеих систем и начались работы по созданию соответствующей объединенной (интегрированной) АП. С советскими фирмами-разработчиками (НПО прикладной механики, Научно-исследовательский институт приборостроения, Ленинградский научно-исследовательский радиотехнический институт — ныне Российский институт радионавигации и времени) установили сотрудничество многие фирмы США, ФРГ, Англии, Франции, Канады, Китая и других стран. Интерес к спутниковой радионавигационной тематике резко возрос, стали издаваться специальные международные журналы «GPS World» и «SPN».

В конце 80-х гг. началась реализация ранее разработанных принципов дифференциальных подсистем (ДПС) спутниковых систем «Навстар» и «Глонасс» [211, 215, 227]. Было экспериментально подтверждено, что дифференциальный режим способен устранить наиболее опасные систематические погрешности навигационных измерений и в результате этого повысить точность местоопределения подвижных объектов до единиц метров, что дало возможность обеспечить, например, посадку самолетов на заранее необорудованные посадочными средствами аэродромы. Для дальнейшего повышения точности навигационных определений стала развиваться методика измерений псевдодальности по фазе несущих колебаний. Это позволило выйти при использовании спутниковых навигационных сигналов на геодезическую точность — сантиметровую.

Постепенно в радионавигационной проблематике центр тяжести сместился в область теоретических и экспериментальных исследований дифференциального режима и фазовых измерений по несущей частоте. Актуальность этих вопросов настолько обострилась, что в сентябре 1991 г. в Брауншвейге (ФРГ) им был посвящен специальный международный симпозиум с участием специалистов 23 стран [217—225], а на международной конференции по навигации в ноябре 1991 г. в Лондоне они также заняли центральное место. На март—апрель 1993 г. планируется проведение второго такого симпозиума в Амстердаме (Нидерланды).

Можно утверждать, что основой навигационно-временного обеспечения потребителей всех видов (исследовательских, народнохозяйственных, оборонных) на ближайшие десятилетия

явятся именно сетевые спутниковые системы «Глонасс» и «Нав-стар».

Проблематике спутниковой радионавигации посвящен ряд монографий [36, 70, 117]. Однако все они отражают в основном технические идеи СРНС 1-го поколения. Хотя ССРНС развивались на базе техники наземных РНС и выросли из спутниковых систем дискретной навигации, научные основы их построения и применения значительно расширились и продолжают обогащаться благодаря привлечению новых идей, методов и технических принципов. К сожалению, новые вопросы продолжают излагаться лишь в разрозненных периодических и эпизодических публикациях. В 1-м издании предлагаемой книги впервые с достаточной глубиной, в едином методическом стиле при сохранении требуемого уровня математического анализа был изложен комплекс вопросов, связанных с принципами построения, функционирования и навигационного применения современных ССРНС. Содержание настоящего издания книги значительно расширено за счет рассмотрения новых актуальных вопросов современной проблематики ССРНС.