1.6. СОВЕТСКАЯ СЕТЕВАЯ СПУТНИКОВАЯ РНС «ГЛОНАСС»

Этапы создания системы. Сетевая СРНС «Глонасс» разрабатывалась в 70-е годы на основе опыта создания и успешной эксплуатации советской низкоорбитной СРНС «Цикада». Были использованы также результаты фундаментальных исследований проблем высокоточного прогноза движения ИСЗ, учета релятивистско-гравитационных эффектов, повышения долговременной стабильности квантовых генераторов, учета рефракции радиоволн в тропосфере и ионосфере, повышения достоверности передачи и обработки цифровой информации.

После проведения широкомасштабных теоретических, проектных, конструкторских и экспериментальных работ по созданию элементов системы началось ее планомерное развертывание. Первые ИСЗ серии «Глонасс» («Космос-1413», «Космос-1414» и «Космос-1415» [162]) были выведены на орбиты 12 октября 1982 г. Далее с темпом 1—2 запуска в год продолжалось наращивание сети ИСЗ. Выводимые на орбиты спутники (рис. 1.3) использовались для отработки элементов и аппаратуры СРНС, предназначенной прежде всего для обеспечения местоопределения отечественных самолетов гражданской авиации и судов морского и рыболовного флотов.

По мере развития спутниковых систем и устройств, средств наземного комплекса и аппаратуры потребителей эта система к

Рис. 1.3. Общий вид ИСЗ «Глонасс»

концу 1988 г. вышла на предэксплуатационный этап, имея сеть из шести эксплуатационных НИСЗ. Первая фаза следующего, эксплуатационного, этапа [187] завершилась в 1991 г. созданием ограниченной сети из 12 спутников, что позволяет проводить практически непрерывные глобальные двухкоордииатные место определения и дискретные глобальные трехкоординатные местоопределения. К 1995 г. планируется закончить вторую фазу эксплуатационного этапа: развить сеть до 24 ИСЗ (включая три резервных), что обеспечит глобальные непрерывные трехкоординатные местоопределения. После этого система перейдет в фазу нормальной (штатной) эксплуатации и последующие запуски ИСЗ на орбиты будут производиться при необходимости восполнения сети спутников, оказавшейся недостаточной из-за выработки каким-либо из них своего ресурса или оказавшегося внезапно неработоспособным.

Программа ввода системы «Глонасс» в постоянную эксплуатацию предполагает ее международное использование совместно с американской системой «Навстар». Соответствующие предложения были внесены 09.05.88 г. советскими представителями в Международную организацию гражданской авиации (ICAO), причем одновременно были сообщены все технические характеристики системы «Глонасс», необходимые для производства и эксплуатации ее аппаратуры потребителей [190, 214].

Структура системы. Структура системы «Глонасс» (рис. 1.4) соответствует рассмотренной общей структурной схеме спутниковой РНС (см. рис. 1.1). В ее состав входят: орбитальная группировка (навигационные ИСЗ), наземные средства управления, слежения и контроля (КИК), навигационная аппаратура потребителей (потребители) и средства развертывания и восполнения системы (космодром). Орбитальной группировкой считается та рабочая группа спутников, которая используется в конкретном навигационном сеансе, являясь частью всей сети НИСЗ. Из средств КИК показаны: станции контроля, которые ведут траекторные и временные измерения в интересах определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой системы, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем; центр управления системой, собирающий информацию от контрольных станций, формирующий массив служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки), программу управления бортовыми средствами и разовые команды управления; станция управления, закладывающая в бортовое запоминающее устройство служебную информацию и программу управления, а также ведущая оперативное управление работой бортовых средств каждого из спутников.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 1.5. Сеть спутников системы «Глонасс» на начальном этапе эксплуатации (а) и после полного развертывания (б)

В качестве потребителей показаны транспортные средства — самолеты, суда, автомобили, однако их набор может быть расширен за счет иных воздушных, морских и сухопутных объектов. Из рис. 1.4 видно, что стартовые средства космодрома обеспечивают вывод на орбиты спутников при первоначальном развертывании сети НИСЗ и при ее восполнении.

Орбитальная структура системы «Глонасс» (ее баллистическая структура) характеризуется следующими параметрами: тип орбиты — круговая, высота 19 100 км; период обращения 11 ч 15 мин, наклонение плоскости орбиты 64,8°. На первой фазе эксплуатационного этапа на двух орбитах будут располагаться до 12 спутников, по шесть на каждой (рис. 1.5, а). После полного развертывания системы 24 НИСЗ будут размещаться на трех орбитах, сдвинутых по экватору на 120°, по восемь спутников на каждой из них (рис. 1.5, б).

Навигационный сигнал. Способ разделения сигналов, излучаемых различными спутниками системы «Глонасс», — частотный. Сигналы спутников идентифицируются по значению номинала их несущей частоты, лежащей в отведенной полосе частот. Предусмотрены две частотные полосы в диапазонах Номиналы частот формируются по общему правилу

где номиналы литерных частот, первая литерная частота, интервал между литерными частотами, номера литеров в каждом из диапазонов.

Для частот вблизи (диапазон Для частот вблизи (диапазон

Литер потребителями не используется и предназначен для проверки резервных НИСЗ при восполнении орбитальной группировки. Распределение остальных литерных частот среди

функционирующих НИСЗ задается альманахом, передаваемым в кадре служебной информации. Таким образом, частотная полоса рабочих сигналов системы в диапазоне составит а частотная полоса в диапазоне

Каждый НИСЗ систему «Глонасс» излучает радиосигналы в обоих диапазонах для реализации двухчастотного способа исключения ионосферной погрешности измереиий навигационных параметров. Для когерентности этих сигналов они формируются от общего эталонного генератора при соблюдении отношения рабочих частот

Для массовых потребителей системы «Глонасс» все НИСЗ излучают радиосигналы, модулированные дальномерным кодом и служебной информацией, только в диапазоне Наряду с этим по радиолиниям в диапазонах передаются также радиосигналы, модулированные специальным кодом (аналогичным коду системы «Навстар»), не предназначенные для международного использования. При навигационных определениях с использованием этого кода исключаются ионосферные погрешности. Однако и массовые потребители способны бороться с ионосферными погрешностями, хотя их дальномерный код не излучается в диапазоне Для этого следует во втором диапазоне реализовать бескодовый способ приема сигналов.

Энергетика системы характеризуется эффективной мощностью излучаемого сигнала, которая в направлении на центр Земли равна а при углах ±15° от направления на центр Земли — Учитывая, что угловое положение и удаленность используемых в данном сеансе спутников от потребителя неодинаковы, мощность сигнала в точке приема на изотропную антенну составляет Считается, что потери на пути распространения сигналов составляют Излучаемые сигналы имеют круюьую правостороннюю поляризацию.

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации со скоростью 50 символов в секунду. Применяется фазовая манипуляция несущей дальномерным псевдошумовым Кодом, период повторения которого составляет при символьной частоте так что за один период повторения формируется 511 символов. Подробнее структура сигнала системы «Глонасс» анализируется в гл. 4.

Служебная информация, содержащаяся в навигационном сигнале, включает оперативную и неоперативную части. Оперативная информация относится к характеристикам того спутника, в сигнал которого она заложена; неоперативная — к характеристикам системы в целом. Важно, что несущая частота, дальномерный код и элементы служебной информации формируются от общего бортового эталона частоты.

Оперативная информация содержит:

эфемериды спутника — три координаты, три составляющие скорости и три составляющие ускорения, обусловленные притяжением Солнца и Луны, на определенный момент времени; оцифровку меток времени спутника;

сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы;

относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от опорной частоты центрального хранителя времени.

Неоперативную информацию образует альманах системы, содержащий:

параметры орбит всех спутников системы; округленные значения сдвигов шкалы времени каждого спутника относительно шкалы времени системы;

поправки к шкале времени системы относительно шкалы

признак работоспособности всех 24 спутников системы. Полный объем оперативной и неоперативной информации скомпонован в виде суперкадра длительностью 2,5 мин (рис. 1.6). Суперкадр состоит из 5 кадров по 30 с каждый, причем кадр содержит 15 строк. Длительность каждой строки 2 с, из них первые 85 дв. ед., занимающие 1,7 с, отведены для цифровой информации, передаваемой кодом Хэмминга, а последние 0,3 с предоставлены для передачи метки времени (MB).

Рис. 1.6. Структура суперкадра навигационного сигнала системы «Глонасс» 30

В каждом кадре оперативная информация, относящаяся к данному спутнику, занимает первые четыре строки, остальные строки с 5-й по 15-ю отведены для неоперативной информации, касающейся системы в целом и очередной группы из пяти НИСЗ (в последнем кадре — из четырех НИСЗ).

Таким образом, полный объем альманаха можно набрать, приняв один суперкадр по сигналу какого-либо спутника, т. е. за 2,5 мин.

Более подробно структура кадров с разъяснением смыслового содержания передаваемой информации будет дана в гл. 10.

Аппаратура потребителей. В качестве навигационной аппаратуры потребителей в системе «Глонасс» в настоящее время используется авиационная аппаратура и морская аппаратура «Шкипер», а также готовятся к применению новые модификации АП. В связи с предложением правительственных органов о передаче СРНС «Глонасс» в международное пользование должны появиться модификации АП, предназначенные для работы одновременно и по системе «Глонасс», и по системе «Навстар». Такая АП будет создаваться в нашей и в других странах как на национальной основе, так и на основе международного сотрудничества различных фирм. Первая советская модификация такой объединенной АП - авиационное устройство «АСН-21» [210].

Аппаратурой потребителей системы «Глонасс» в навигационном сеансе проводятся беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости минимум до четырех НИСЗ (при решении плоскостной задачи — до трех), причем в зависимости от числа каналов прием сигналов от различных НИСЗ проводится либо одновременно, либо последовательно во времени. По результатам измерения радионавигационных параметров и по извлеченной из кадра служебной информации определяются пространственные (плоскостные) координаты П, составляющие его скорости движения и поправка местной шкалы времени (ШВ) к системной ШВ «Глонасс». На этой основе рассчитываются различные навигационные величины, необходимые для воздушной и морской навигации (пройденное расстояние, оставшееся расстояние до поворотного пункта маршрута (ППМ), оставшееся время до прибытия в ППМ, рекомендуемый курс следования, коммерческие задачи и т. п.). Подробнее об АП «Глонасс» можно прочитать в гл. 9.

Радионавигационное поле. Полностью развернутая система «Глонасс», "сеть которой содержит (включая три резервных), образует географически непрерывное радионавигационное поле с возможностью навигационных определений (НО) в любой момент времени. Точность определения координат оценивается погрешностью (предельной) порядка точность определения составляющих скорости 15 см/с. Аналогичная

погрешность временной привязки Точностные характеристики системы «Глонасс» могут быть значительно улучшены при использовании дифференциального режима навигационных определений (см. об этом гл. 20).

На первой фазе развития системы, когда сеть ее ограничена наличием всего 12 спутников, зона действия не будет географически глобальной, а составит лишь определенную долю от полной поверхности Земли. При этом возможности двухкоординатного МО будут предпочтительнее, нежели трехкоординатного (для которого требуется привлекать на один спутник больше). В то же время для самолетов по сравнению с морскими судами рабочее созвездие НИСЗ можно будет выбирать из большего числа спутников, так как с подъемом на высоту горизонт П расширяется, и это создает для них более благоприятные условия.

Поэтому на первой фазе развития системы при 12 спутниках относительная площадь обслуживания системой «Глонасс» ( в % к полной поверхности Земли) может характеризоваться в обоих полушариях:

для широт выше 50° при определении плоскостных координат: для самолетов; для морских судов; при определении пространственных координат; для самолетов; для морских судов;

для широт ииже 50° при определении плоскостных координат: для самолетов; для морских судов; при определении пространственных координат: для самолетов; для морских судов.

Естественно, что неглобальность рабочей области системы приводит в каких-то районах к перерывам в навигационных сеансах — различным по географическим широтам и по высоте П. Если сеть имеет то при нахождении и судов, и самолетов в широтах выше 50° перерывов в навигационных сеансах вообще не будет. В более низких широтах при такой сети максимальные перерывы не превысят для судов а для самолетов

По мере дальнейшего наращивания сети НИСЗ перерывы в навигационных сеансах в каждом из районов будут сокращаться, и при полном развертывании сети система «Глонасс» явится для любых потребителей глобальным по пространству и непрерывным по времени средством высокоточных иавигационно-временных определений.