/
Автор: Карутин С.Н. Власов И.Б. Дворкин В.В.
Теги: электротехника междупланетные соединения (междупланетные полеты) космонавтика (аэронавтика) радиотехника монография радионавигация спутники
ISBN: 978-5-19-010924-5
Год: 2014
Текст
Карутин С. Н.
Власов И. Б. ’ у
Дворкин В. В. \ Г
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
КОРРЕКЦИЯ
И МОНИТОРИНГ
ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ
СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМ
С. Н. Карутин, И. Б. Власов, В. В. Дворкин
Дифференциальная коррекция
и мониторинг
глобальных навигационных
спутниковых систем
Издательство Московского университета
МЕРИЯ
ГРУППА КОМПАНИЙ
Москва
2014
УДК 621.396.98
ББК 39.67
К21
Книга издана при финансовой поддержке ОАО «Главкосмос»
Рецензенты.
С. И. Донченко—д-р техн, наук., профессор, генеральный директор ФГУП
«Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических
и радиотехнических измерений»;
В. Е. Косенко—д-р техн, наук., профессор, первый заместитель генерального
директора — первый заместитель генерального конструктора ОАО
«Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва»
Карутин С. Н.
К21 Дифференциальная коррекция и мониторинг глобальных навигаци-
онных спутниковых систем / С. Н. Карутин, И. Б. Власов, В. В. Двор-
кин. — М. : Издательство Московского университета; ГАЛЕРИЯ,
2014. — 464 с., ил.
ISBN 978-5-19-010924-5 Издательство МГУ
ISBN 978-5-904170-22-6 ГАЛЕРИЯ
В монографии рассмотрен широкий круг вопросов по радионавигации.
Описаны основные принципы построения и функционирования глобаль-
ных навигационных спутниковых систем (ГНСС), их современное состо-
яние и перспективы развития. Кратко изложены используемые в ГНСС
методы и алгоритмы навигационно-временных определений и способы их
реализации в аппаратуре потребителей. Проанализированы факторы, огра-
ничивающие точность навигационных измерений и показано, что в рамках
идеологии построения ГНСС, принятой на этапе их развертывания, задача
кардинального повышение точности, достоверности и целостности навигаци-
онных определений практически неразрешима. Инструментом, позволяющим
сделать очередной шаг в развитии ГНСС, являются системы мониторинга
целостности и дифференциальной коррекции, которым посвящена эта книга.
Изложены основные принципы дифференциальной навигации и относитель-
ных измерений, а также методы обеспечения целостности, как автономные,
так и с помощью систем функциональных дополнений (ФД). В качестве при-
мера такого ФД подробно описана отечественная система дифференциальной
коррекции и мониторинга. Рассмотрены предпосылки и методические осно-
вы развития технологий высокоточных навигационных определений. Описаны
зарубежные и отечественный проекты, обеспечивающие предоставление услуг
высокоточных навигационных определений.
Для инженерно-технических работников, занимающихся проектировани-
ем ГНСС, их ФД, а также потребительских систем и комплексов. Будет
полезна аспирантам и студентам старших курсов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению «Радиотехника».
УДК 621.396.98
ББК 39.67
© С. Н. Карутин, И. Б. Власов,
ISBN 978-5-19-010924-5 Издательство МГУ В. В. Дворкин, 2014
ISBN 978-5-904170-22-6 ГАЛЕРИЯ © ООО «Галерия», 2014
ПРЕДИСЛОВИЕ
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) второго
поколения — ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), совершившие поистине
революционный переворот в области координатно-временного и на-
вигационного обеспечения, функционируют уже четверть века. Пер-
воначально предназначенные для решения относительно узкого круга
прикладных (прежде всего в интересах обороны и безопасности) за-
дач, ГНСС фактически стали базовым фактором появления и быстрого
развития широкого круга технологий, обеспечивающих инновационное
развитие различных отраслей экономики.
В настоящее время ГНСС рассматриваются как значимый пока-
затель научно-технического уровня и один из важных факторов ин-
формационной независимости и безопасности государств-владельцев,
а также их союзников. Неудивительно, что значительные усилия ряда
стран направлены на создание собственных глобальных — Galileo (Ев-
росоюз) и Beidou/Compass (КНР), —а также региональных —QZSS
(Япония), INRSS (Индия) — спутниковых радионавигационных си-
стем.
На протяжении всей истории развития спутниковой радионави-
гации доминирующей была и остаётся проблема повышения точно-
сти навигационных определений, что требует совершенствования как
аппаратных и программно-алгоритмических средств, так и развития
самой структуры систем, прежде всего за счёт использования так на-
зываемых систем функциональных дополнений (ФД) ГНСС.
Первым шагом на пути создания ФД были локальные дифференци-
альные подсистемы, разработанные как средство парирования режима
селективного доступа, применявшегося в США с 1990 по 2000 г.
с целью преднамеренного ухудшения точности измерений с исполь-
зованием открытых сигналов GPS. Основным элементом подсистем
дифференциальной коррекции являются контрольно-корректирующие
(опорные) станции — комплексы высокоточной навигационной аппа-
ратуры, установленные в точках с априорно известными (эталонными)
координатами. По результатам сравнения навигационных параметров,
вычисленных аппаратурой по сигналам навигационного космического
аппарата (НКА), с эталонными значениями формируются скалярные
поправки, передаваемые по соответствующим каналам связи потре-
бителям. Важная составная часть дифференциальных подсистем —
аппаратура мониторинга и контроля целостности, постоянно контро-
лирующая достоверность информации, передаваемой потребителю.
Локальные сети таких базовых станций, использующие для передачи
информации потребителю наземные линии передачи данных, к кото-
рым относятся УКВ-радиостанции, системы подвижной беспроводной
связи или сеть Интернет, развёрнуты по всему миру.
Следующим этапом развития ФД стало создание региональных
дифференциальных подсистем, осуществляющих объединение и стати-
Предисловие
3
Предисловие
стическую обработку информации, полученной от сети опорных стан-
ций, что позволило повысить точность корректирующей информации
и расширить площадь покрытия, которая оказывается существен-
но больше суммы площадей рабочих зон объединяемых локальных
систем. Корректирующая информация передаётся конечному потре-
бителю с использованием как упомянутых выше наземных линий, так
и средств космической связи.
Создание сетей опорных станций позволило перейти от формиро-
вания локальных скалярных дифференциальных поправок к векторной
корректирующей информации, формируемой широкозонными ФД, ра-
бочая зона (площадь покрытия) которых охватывает целые континенты
(североамериканская WAAS) или их значительные части (европейская
EGNOS, российская СДКМ, японская MSAS, индийская GAGAN).
Принципиальное различие между локальными/региональными и ши-
рокозонными системами дифференциальной коррекции состоит в том,
что последние формируют поправки, относящиеся не к навигацион-
ным параметрам, измеряемым потребителем, а к эфемеридно-вре-
менной информации (ЭВИ), передаваемой в составе навигационного
сообщения НКА. Общим для всех указанных систем является на-
личие в составе базовых станций систем мониторинга радиосигналов
ГНСС многочастотной приёмной аппаратуры для получения безза-
просных измерений текущих навигационных параметров (ИТНП), ко-
торые необходимы для формирования поправок к ЭВИ. Услуги ши-
рокозонных систем ФД предоставляются посредством космических
аппаратов связи и ретрансляции, поэтому в технической литерату-
ре за ними закрепилось название SBAS (Space Based Augmentation
Systems).
На первом этапе (в начале 1990-х годов) работы по созданию ФД
ГНСС финансировались за счёт бюджетных средств, соответственно
их услуги предоставлялись на безвозмездной основе. Первыми актив-
ными пользователями этих услуг были преимущественно учёные, ра-
ботавшие в сферах геодезии и картографии и создавшие Международ-
ную службу GPS (International GPS Sendee — IGS), преобразованную
позднее в Международную службу ГНСС. Однако вскоре высоко-
точная ЭВИ, получаемая с помощью глобальной сети измерительных
станций, оказалась востребованной во многих коммерческих сферах
деятельности — управлении транспортными средствами, природными
ресурсами, строительстве, сельском хозяйстве, жилищно-коммуналь-
ной сфере и т. п. Разработанные в конце 1990-х годов методы высоко-
точных навигационных определений РРР (англ. Precise Point Position)
позволили создать коммерческие ФД OmniStar и StarFire, предостав-
ляющие услуги высокоточного определения местоположения на плат-
ной основе. По различным оценкам, мировой рынок услуг функцио-
нальных дополнений в 2014 г. составит около 500 млн долл. США.
Географическое положение и протяжённость территории Россий-
ской Федерации предопределяют необходимость создания отечествен-
4
ных широкозонных ФД. Однако из-за экономических трудностей сере-
дины 1990-х годов работы по созданию широкозонного ФД — системы
дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) ГЛОНАСС
начались в 2002 г. За последующее десятилетие была создана сеть
станций сбора измерений, центр дифференциальной коррекции и мо-
ниторинга, развёрнуты комплексы закладки и контроля информации,
излучаемой бортовыми ретрансляторами СДКМ на космических ап-
паратах многофункциональной космической системы ретрансляции
Луч». В 2011 и 2012 гг. на околоземную орбиту были выведены
космические аппараты «Луч-5А» и «Луч-5Б».
Созданная инфраструктура СДКМ позволила в 2012 г. начать ра-
боты по созданию высокоточного комплекса функционального допол-
нения (КФД) ГНСС, который должен обеспечить потребителей услу-
гами для высокоточной навигации и широкозонной дифференциальной
коррекции с контролем целостности.
Проект КФД предполагает развёртывание глобальной сети стан-
ций сбора ИТНП и создания на базе навигационных радиосигналов
ГЛОНАСС системы предоставления услуг высокоточных навигацион-
ных определений. На момент завершения работы над данной книгой
(февраль 2014 г.) 22 станции были развёрнуты на территории РФ,
три — на российских научных станциях в Антарктиде и одна — на тер-
ритории Бразилии. Важно отметить, что многие структурные, науч-
ные и технические решения, ставшие основой проекта КФД, являются
оригинальными и заметно отличаются от решений, использованных
в зарубежных разработках. Однако в технической литературе, как
отечественной, так и зарубежной, информация о разработках ком-
плекса и опыт, накопленный в процессе его создания, представлены
в основном в журнальных публикациях. Отечественные монографии,
посвящённые этим проблемам, отсутствуют.
Таким образом, основным мотивом, которым авторы руководство-
вались при написании данной книги, как следует из её названия, было
желание в какой-то мере восполнить указанный пробел и предоставить
специалистам актуальную информацию по системам дифференциаль-
ной коррекции и мониторинга ГНСС.
Однако, как это часто случается, в процессе работы над руко-
писью её первоначальный план претерпел существенные изменения.
Стало очевидно, что попытка описать функциональные дополне-
ния ГНСС без описания предыстории и современного этапа разви-
тия самих ГНСС неизбежно приводит к необходимости многочислен-
ных разрозненных пояснений, нарушающих целостность изложения.
В результате появилась самостоятельная (седьмая) глава, в которой
содержится достаточно подробное описание глобальных и региональ-
ных навигационных спутниковых систем. При этом авторы постара-
лись наполнить эту главу актуальным справочным материалом, кото-
рый обычно отсутствует в сугубо научных монографиях по спутниковой
навигации.
Предисловие
5
Сдкги.
Руководствуясь ест
альных читателе" •
ковой навит?
для ос
вс
СИ.-.V х - - -
Предисловие
. г: влечь в круг потенци-
. < .. ионалов в области спутни-
з смежных областей, которым
ивг т* ла книги необходимо изучить (или
- функционирования радионавигационных
лючены некоторые разделы учебного курса,
авторов в МГТУ им. Н. Э. Ба. мана.
. еются, что многим читателя-.' ' - >нтересны неко-
торые факты из истории навигации -акже начальные
вехи развития радионавигационных с . женные во введении
и первой главе, и, таким ' просто интересную
для себя инфор-' . разных категорий. Од-
нако ост г < - - ко* книга адресована в первую
очередь. — это спецмлисты, работающие в области различных прило-
с?.- -с и навигации, аспиранты и студенты старших курсов
высших учебных заведений.
При написании книги работа распределилась следующим обра-
зом: введение и главы 1—5 написаны И. Б. Власовым и С.Н. Ка-
рутиным, главы 6—8 — И. Б. Власовым, С. Н. Карутиным и В. В. Двор-
киным, главы 9—12 С. Н. Карутиным и В. В. Дворкиным. Научное
редактирование выполнено И. Б. Власовым.
Авторы будут благодарны за любые замечания и предложения,
направленные на улучшение содержания книги, которые просим на-
правлять по адресу s.karutin@glonass-iac.ru.
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
I ' f | И M t ,1 И| I . I • - 14,,. .
— апостероирная вероятность
— аппаратура потребителя
НС — бортовой источник навигационного сигнала
— бортовой радиотехнический комплекс
7 г — бортовой ретранслятор
— базовая станция
— бортовое синхронизирующее устройство
. В — бортовая шкала времени
— вектор состояния
— групповое время запаздывания
— глобальная навигационная система
— глобальная навигационная спутниковая система
— геосинхронная наклонная высокая орбита
— геостационарная орбита
— геометрический фактор
— дифференциальная подсистема
— ионосферный индекс солнечной активности
— интерфейсный контрольный документ
— инерциальная навигационная система
— измерение текущих навигационных параметров
— информация о целостности
— корректирующая информация
— контрольно-корректирующая станция
— комплекс функционального дополнения
— локальная дифференциальная подсистема
НВО — навигационно-временное определение
— навигационная информация
— наземный комплекс управления
— навигационный параметр
— навигационное сообщение
— опорный генератор
— относительное измерение
— опорная радионавигационная точка
— псевдослучайная последовательность
— параметр фазовой неоднозначности
— полное электронное содержание
— региональная дифференциальная подсистема
— радионавигационные параметры
— региональная навигационная спутниковая система
— срок активного существования
— система дифференциальной коррекции и мониторинга
— система контроля целостности
— спутниковая РНС
— станция сбора измерений/информации
— системная шкала времени
— функциональное дополнение
— центральный синхронизатор
— центр управления системой
— частотно-временная поправка
— шкала времени потребителя
— шкала времени системы
— широкозонная дифференциальная подсистема
— фемеридно-временная информация
— : емеридно-временное обеспечение
— : емеридная информация
— эквивалентная погрешность дальности
Список основных сокращений
7
Введение
ИСТОРИЯ НАВИГАЦИИ:
ОТ ДРЕВНОСТИ ДО НАШИХ ДНЕЙ
В.1. Зарождение систем
навигационного обеспечения
Термин «навигация» (от лат. navigo — плыву на судне) первона-
чально относился к морскому судовождению. В настоящее время этот
термин охватывает широкий круг видов деятельности человека, свя-
занных с определением текущего местоположения различных подвиж-
ных объектов с целью обеспечения их движения по заданным тра-
екториям или контроля этих траекторий. Родственной навигации как
по решаемым задачам, так и по используемым средствам является
проблема определения положения на местности неподвижных объек-
тов (топогеодезическая привязка).
До настоящего времени дошло мало достоверных сведений о за-
рождении и первых шагах развития навигации. Очевидно, что до появ-
ления специальных навигационных приборов в основном применялось
визуальное ориентирование: на суше и в прибрежных зонах — по ха-
рактерным элементам рельефа местности, тех или иных сооружений
и предметов, ночью в качестве ориентиров использовались костры.
При плавании в открытом море ориентирами служили небесные тела,
что положило начало астронавигации. Точно указать, когда и где
появились первые навигационные приборы, невозможно.
Прототип прибора для определения расстояния, так называемо-
го одометра (от греч. обое (hodos) — путь и pexpov (mdtrori) —
мера), по-видимому, впервые был реализован в Древнем Китае в ви-
ге специального устройства, установленного на повозке и измеря-
ющего пройденное расстояние путём подсчёта количества оборотов
колеса с известным диаметром. Устройство состояло из комбина-
ции рычагов, соединённых с колёсами повозки, и двух человеческих
фигурок. С помощью рычагов одна фигурка била по барабану каж-
дый ли, а вторая звонила в гонг каждые десять ли (ли —«китай-
с - ая верста» — китайская единица измерения расстояния; в древности
В.1. Зарождение систем навигационного обеспечения
9
Введение. История навигации: от древности до наших дней
составляла 300 или 360 шагов, современное общепринятое значение —
500 м).
Древнекитайские источники повествуют и об ещё одном навигаци-
онном устройстве — чи-нане — «указатель юга». Согласно этим ис-
точникам, в Древнем Китае уже около 2600 г. до н. э. были известны
конные двухколёсные повозки с установленными на них фигурками
человека из «вечного камня» (нефрита) с вытянутой вперёд рукой.
Стоящая на поворотной площадке в передней части колесницы фи-
гурка благодаря якобы встроенному в неё магниту всегда обращалась
лицом на юг. Такие колесницы с «указателем юга», согласно древне-
китайским источникам, в 2364 г. до н. э. помогли императору Хуангти
в густом тумане и облаках пыли одержать победу над своим против-
ником Чжису [1].
Однако современные исследования доказали, что «путеводная по-
возка» древних китайцев никакого отношения к магнитному компасу
не имела. По древнекитайским документам удалось установить, что
механизм действия фигурки основан на системе зубчатых передач (или
рычагов), с помощью которых поворотная площадка под фигуркой
связывалась с колёсами повозки. Перед отправлением в путь фи-
гурку выставляли так, чтобы вытянутая рука указывала на юг. При
поворотах повозки фигурка сохраняла своё положение, и по откло-
нению колёс от начального направления определяли его изменение.
Говоря современным языком, в данном устройстве была реализована
идея дифференциального одометра. (В античной литературе прин-
цип работы одометра впервые подробно описали в 100 г. до н. э. Герои
Александрийский и римский архитектор Витрувий.)
Около 2000 г. до н. э. в Древнем Китае стали использовать первые
карты морских побережий и рек с указанием направлений движения
судов.
Под словом «Античность» обычно понимают
«греко-римскую давность», т. е. исторический пе-
риод, охватывающий цивилизации Древней Греции
и Древнего Рима. В литературе Древнегреческим
принято называть период, который длился с кон-
ца IV до I века до н. э.; периодом Римской
империи — с I века до н. э. до конца V века н. э. Для
этого периода времени характерно быстрое развитие
астрономии и математики, что оказало существенное
влияние на прогресс методов и средств навигации
и картографии.
Отметим вклад греческих астрономов в разви-
Гераклид
Понтийский
(ок. 550—480
до и. э.)
В.2. Эпоха Античности
тие представлений о Солнечной системе. В IV веке до н. э. Гераклид
Понтийский предположил, что внутренние (по отношению к Земле)
планеты вращаются вокруг Солнца и что Земля вращается вокруг сво-
ей оси (рис. В.1).
Рис. В.1. Модель Солнечной системы
Гераклида:
О — Солнце; С — Луна; 9 — Меркурий;
9 — Венера; Ф — Земля; <5 — Марс;
У — Юпитер; *2 — Сатурн
Через 100 лет греческий астроном Аристарх Самосский заявил,
что Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солн-
ца, как и другие планеты. Очевидно, что такая гелиоцентрическая
11
Аристарх
Самосский
Введение. История навигации: от древности до наших дней
(ок. 310-230
до н. э.)
Эратосфен
Киренский
(ок. 276-194
до н. э.)
Рис. В.2. Гномон
Пифей
из Массалии
(ок. 380-310
до н. э.)
Гиппарх
Никейский
(ок. 190-120
до и. э.)
модель Солнечной системы весьма близкой к мо-
дели, предложенной спустя 2000 лет Николаем
Коперником.
Эратосфен Киренский, живший в III веке до н. э.,
может считаться первым геодезистом, опреде-
лившим длину земного меридиа-
на. В 225 г. до н. э. Эратосфен
составил карту, в которой он
использовал результаты наблю-
дений греческого мореплавателя,
астронома, математика и геогра-
фа Пифея из Массалии, раз-
работавшего метод определения
географической широты. Метод
был основан на измерении длины
тени гномона — древнего астрономического инстру-
мента, представляющего собой вертикальный шест
(рис. В.2).
Следует отметить, что уже в III веке до н. э.
древним астрономам был известен и использовал-
ся для измерений на небесной сфере квадрант —
угломерный астрономический инструмент для изме-
рения высоты небесных светил и угловых расстоя-
ний между ними.
К П1 веку до н. э. относится первое упоми-
нание об использовании в прибрежной навигации
специально созданных для этого сооружений — ма-
яков. Входивший в список семи чудес света первый
в мире маяк (рис. В.З) был построен Алексан-
дром Македонским в дельте Нила египетского порта
Александрия на маленьком острове Фарос (отсю-
да название маяка — Александрийский или Фарос-
ский).
Высота маяка составляла 120...140 м, поэтому
судоводители, направлявшиеся в александрийский
порт, уже на расстоянии порядка 60 км могли видеть
ночью свет пламени, отражённый в сторону моря
бронзовыми зеркалами, а днём — столб дыма.
В 796 г. н. э. (спустя без малого 1000 лет с мо-
мента строительства) Александрийский маяк был
разрушен землетрясением. Фрагменты гигантского
сооружения были использованы при строительстве
на его месте крепости, сохранившейся до наших
дней.
Во II веке до н.э. Гиппарх Никейский, древ-
негреческий астроном, географ и математик, часто
12
Рис. В.З. Вид Александрийского маяка
(реконструкция XX века)
называемый величайшим астрономом Античности,
предложил систему параллелей с постоянной ши-
ротой и меридианов с постоянной долготой.
Через 350 лет древнегреческий учёный Клавдий
Птолемей, сочинения которого оказали большое
влияние на развитие астрономии, географии и оп-
тики, используя идеи Гиппарха, создал подобие
карты мира (рис. В.4).
Клавдий Птолемей
(ок. 87—165 н. э.)
В.2. Эпоха Античности
Рис. В.4. Карта мира Клавдия Птолемея (II век н. э.)
13
Введение. История навигации: от древности до наших дней
Клавдий Птолемей — одна из крупнейших фигур в науке позднего
эллинизма. В астрономии Птолемею не было равных на протяжении
целого тысячелетия — от Гиппарха (II век до н. э.) до Бируни (X—XI ве-
ка н. э.). Основной научный труд Птолемея «Великое математическое
построение астрономии» в 13 книгах (ок. 140 г. н. э.) в древности на-
зывали «Мэгйстэ» (греч. реу(отт( (megiste) — величайший), которое
у арабов превратилось в «Almagest». Эпитет «величайший» вполне
соответствует труду Птолемея, поскольку в нём с большим искусством
не только изложена, но и проанализирована вся совокупность астро-
номических знаний того времени. Его именем названа геоцентриче-
ская система мира, господствовавшая в астрономии более 15 веков.
Кроме работ в области астрономии и математики известны работы
Птолемея в области географии, оптики и в других областях, вплоть
до теории звуковысотной системы (гармонии) в современной ему му-
зыке. Он является автором самой древней тригонометрической таб-
лицы, для вычисления которой была использована 60-ричная система
дробей.
В.З. Средние века
«Ж
По современной классификации начало периода Средних веков от-
носится к VI веку, окончание — к XIV—XV векам.
Активное развитие мореплавания и сухопутной международной
торговли способствовало тому, что уже к периоду между VIII и X ве-
ками на карту были нанесены направления навигации от Кореи до Во-
сточной Африки.
Огромным шагом вперёд явилось изобретение магнитного ком-
паса, которое дало толчок развитию не только навигации, но и учения
о магнитном поле Земли и многих других отраслей науки, способ-
ствовало открытию взаимосвязи магнитного и электрического полей.
Честь изобретения компаса оспаривают китайцы и индийцы, арабы
и итальянцы, французы и англичане. Нет единства и в определении
даты изобретения компаса [1].
Согласно некоторым древним китайским литературным источни-
кам, магнит для определения сторон света стали использовать где-
то между 400 и 300 гг. до н. э. Назывался он чи-нан-тин и пред-
ставлял собой намагниченную железную иглу, подвешенную на тон-
кой нити из некручёного шёлка. Однако эта датировка вызывает ряд
вопросов, поскольку примерно с начала VII века до н.э. уже су-
ществовало судоходство между Индией и Китаем, а в Индию уже
во II веке до н. э. плавали греки, которые в начале нашего тысячеле-
тия и сами проникли в Южно-Китайское море. Маловероятно, чтобы
мимо их внимания прошло такое великое изобретение, как «указа-
тель юга». А если бы греки что-то узнали о компасе, о таком важном
для мореплавания предмете непременно упомянули бы древнегрече-
ские историки, которые подробно описывали и менее значительные
события [1].
В.З. Средние века
15
Введение. История навигации: от древности до наших дней
В связи с этим большего доверия заслуживают литературные ис-
точники, в которых сообщается о появлении на китайских судах ком-
пасов в I—III веках н. э. Компасы того времени представляли собой
сосуд с водой или маслом, в котором плавал магнит в виде иглы
на стебле камыша. На сосуде было обозначено 24 знака, характери-
зующие 24 направления. Описание такого компаса обнаружено в со-
чинениях китайского учёного XI в. Шэнь-Гуа (1030—1094). Он же
впервые сообщил о том, что магнитная стрелка несколько отклоняется
от направления север — юг, т. е. магнитный и географический мериди-
аны не совпадают. Однако тогда на открытие явления магнитного
склонения мало кто обратил внимание. Со временем конструкции
компаса в Китае стали более разнообразными (рис. В.5).
Рис. В.5. Модель китайского компаса периода
династии Хань
(206 г. до н. э. — 200 г. н. э.)
Авторы книг по истории Арабского Востока полагают, что ком-
пас появился в странах западной части Индийского океана в VII ве-
ке, когда укрепились торговые отношения между арабскими странами
и Китаем. В подтверждение приводится тот факт, что арабские суда,
возвращаясь из Китая и пройдя Малаккский пролив, шли, как прави-
ло, не вдоль берега, а напрямую, пересекая Бенгальский залив через
открытое море.
По поводу появления компаса в Европе существует несколько вер-
сий, из которых наиболее реальны две: либо компас попал в Европу
через арабских мореплавателей Средиземного моря, либо был изобре-
тён в Европе самостоятельно в результате развития науки и техники.
Большинство учёных склоняются к тому, что о секретах компа-
са европейцы узнали от мусульманских моряков и учёных, в ту эпоху
превосходивших христиан в культурном и научном отношении. Они
не могли не обратить внимание на компас, с которым познакомились
в Китае и Индии, а затем, вступив в общение с европейцами, подели-
лись секретом этого прибора.
16
Сторонники второй версии ссылаются на следующие данные.
В XIII веке была обнаружена книга, которую приписывают древне-
греческому учёному и философу Аристотелю (384—322 до н. э.). В ней
есть слова, позволяющие предположить, что уже тогда европейские
мореплаватели использовали компас: «Один угол магнита имеет силу
обращать железо к северу, и сим пользуются мореходы. Другой же
угол магнита, тому противоположный, смотрит к югу».
Ссылаются также на скандинавского историка Ара Фроде (868—
1100), сообщающего, что скандинавам была известна магнитная игла,
которая, возможно, использовалась и на море, а также на крупного
немецкого учёного по горно-металлургическому производству Г. Агри-
колу (1494—1555), утверждающего в своей книге по металлургии, что
ещё в ранние Средние века свойства магнита ис-
пользовались в Европе при закладке копий.
В пользу предположения о независимом изоб-
ретении компаса в Европе говорит и тот факт, что
в китайском компасе за нулевое принималось на-
правление на юг, а в европейском — на север.
Как бы то ни было, во время Крестовых по-
ходов европейских феодалов на Ближний Восток
(1096—1270) компас был уже достаточно хорошо
известен средиземноморским мореходам.
С XII века в Западной Европе становится
известна астролябия — астрономический прибор,
изобретённый ещё в Древней Греции. В основе
прибора лежит открытый в III веке до н. э. Аполлонием Перг-
ским принцип стереографической проекции, переводящей окружности
на сфере в окружности на плоскости (рис. В.6).
Аполлоний
Пергский
(ок. 262-190
до н. э.)
В.З. Средние века
Рис. В.6. Современный макет, поясняющий
устройство астролябии
17
С помощью астролябии можно получить стереографическое изоб-
ражение звёздного неба на момент наблюдения и определить азимут
светила и время. Учёные исламского Востока усовершенствовали аст-
ролябию и стали применять её не только для определения времени
Леонардо
Фибоначчи
(ок. 1770—1250)
Введение. История навигации: от древности до наших дней
и продолжительности дня и ночи, но также для осу-
ществления некоторых математических вычислений
и для астрологических предсказаний. Европейцы
вначале использовали арабские инструменты или их
копии, и лишь в XVI в. астролябии стали делать
на основе собственных расчётов, чтобы применять
в европейских широтах.
Первым прибором для измерения высоты (т. е.
угла места) объектов звёздного неба, которым поль-
зовались моряки, стал квадрант. Это устройство,
идея которого, как было отмечено выше, было из-
вестно уже в III веке до н. э., было «заново открыто» в Европе
в XIII веке выдающимся математиком Леонардо Фибоначчи, или Лео-
нардо из Пизы.
Книги Леонардо Фибоначчи содержат почти все арифметические,
алгебраические и геометрические сведения того времени, изложенные
с исключительной полнотой и глубиной. Он первым в Европе ис-
пользовал арабскую нумерацию, ввёл понятие отрицательных чисел.
Леонардо прекрасно знал труды древнегреческих и арабских матема-
тиков, в которых, по-видимому, и почерпнул сведения об устройстве
квадранта.
Квадрант (рис. В.7) состоит из пластины с лимбом в четверть
окружности для отсчёта углов и планки для фиксации угла, при-
креплённой к пластине одним концом. От центра арки идёт отвес,
перемещающийся по дуге, с помощью которого снимают показания.
Два маленьких отверстия, расположенные на одном крае планки, ис-
пользуют для наведения на Полярную звезду или Солнце.
Рис. В.7. Навигационный (морской) квадрант XVI Btr
18
В начале XIV века был изобретён кросс-стафф — портативный
прибор, построенный по принципу квадранта, использовавшийся в ос-
новном для определения угла возвышения Солнца в полдень, что поз-
воляло вычислить географическую широту судна.
В 1590 г. Джон Дэвис изобрёл бэк-стафф (квадрант Дэвиса),
в котором был устранён эффект ослепления наблюдателя солнечным
светом. Различные модификации квадрантов при-
меняли в навигации на протяжении 300 лет, пока
не были заменены секстантом (см. ниже).
Для определения скорости судна издревле ис-
пользовался большой кусок дерева (бревно), кото-
рый выбрасывали с носа судна за борт. Зная длину
судна (расстояние от носа до кормы) и измерив вре-
мя, за которое судно преодолело это расстояние
(бревно поравнялось с кормой), вычисляли скорость
судна. С тех пор термин «лаг» (бревно) прочно
закрепилось в жаргоне мореплавателей для обозна-
чения устройства измерения расстояния и скорости.
Позже для более точного определения скорости
к бревну стали привязывать верёвку (линь), на ко-
торой через равные расстояния были завязаны
узлы. Скорость судна рассчитывали как число уз-
лов на лине, прошедших через руку измеряющего
за определённое время (обычно 15 с или 1 мин). При
этом расстояние между соседними узлами на лине
и время измерения подбирали с таким расчётом,
что количество узлов за время измерения численно
равнялось скорости судна, выраженной в морских
милях в час. Так появилась единица измерения ско-
рости узел, равная одной морской миле в час.
Период времени, охватывающий XV—XVII века,
недаром получил название «эпоха Великих геогра-
фических открытий». Начало этой эпохи обычно
связывают с открытием экспедицией Христофо-
ра Колумба Американского континента (1492).
В том же году немецкий географ Мартин Бехайм
создал первый глобус. В 1519 г. португалец Фер-
нан Магеллан начал свой путь в Южную Америку.
В 1520 г. Магеллан через пролив, названный поз-
же его именем, вышел из Атлантики в Тихий океан.
Несмотря на то что сам Магеллан во время пу-
тешествия погиб, его судно «Виктория», совершив
первое в истории человечества кругосветное путе-
шествие, вернулось в Испанию.
Великие географические открытия, совершённые в период перехода
от Средневековья к Новому времени, дали мощный толчок разви-
Джон Дэвис
(1550-1605)
Христофор Колумб
(1451-1506)
Мартин Бехайм
(1459-1507)
Фернан Магеллан
(1480-1521)
В.З. Средние века
19
тию науки и техники, в том числе совершенствованию навигационных
приборов и картографии. Согласно данным американского Нацио-
нального агентства по аэрофотосъёмке и картографии, экспедиция
Магеллана была экипирована морскими картами, глобусом Земли, де-
ревянными и металлическими теодолитами, деревянными и деревянно-
бронзовыми квадрантами, компасами, магнитными стрелками, песоч-
ными часами и лагом, устанавливаемым на палубе.
Важнейшими математическими открытиями того времени стали
тригонометрия, в том числе сферическая, а также проекция Мер-
катора и логарифмы.
Иоганн Мюллер (Региомонтан) создал 6-значные тригонометриче-
Введение. История навигации: от древности до наших дней
ские таблицы.
Иоганн Мюллер
(Региомонтан)
(1436-1476)
Его главное оригинальное произведение — книга
«О различных треугольниках» — содержит теорему
синусов для сферического треугольника. Много тру-
да положил Региомонтан и на вычисление тригоно-
метрических таблиц. Он составил таблицу синусов
с интервалом в 1' (опубликована в 1490 г.). Сов-
местно с Георгом Пурбахом Региомонтан выполнил
новый перевод «Альмагеста» Клавдия Птолемея.
В 1474 г. Региомонтан издал «Эфемериды» —
таблицы координат звёзд, положений планет и об-
стоятельств соединений и затмений на каждый день
с 1475 по 1506 гг. Это были первые астрономиче-
Герард Кремер
(Меркатор)
(1512-1594)
ские таблицы, изданные типографским способом; ими пользовались
Васко да Гама, Колумб и другие мореплаватели. Немаловажно
и то, что в таблицах Региомонтана в нарушение астрономической
традиции впервые использовалась десятичная система (а не архаич-
ная 60-ричная). Радиус тригонометрической окружности Региомонтан
принял равным 107, чтобы табличные значения были
представлены целыми числами (десятичные дроби
вошли в обиход несколько позднее, причём ос-
новным стимулом к их применению стали именно
тригонометрические вычисления).
Фламандский картограф Герард Кремер, латини-
зированное имя которого звучит как Меркатор, при
составлении навигационной карты мира на 18 листах
(1569) применил равноугольную цилиндрическую
проекцию. Хотя в результате современных ис-
следований установлено, что такая проекция была
известна ещё в 1511 г., широкое применение она получила лишь бла-
годаря Меркатору.
Проекция Меркатора — одна из основных картографических про-
екций, широко используемых в современной морской и аэронавигации.
Слово «равноугольная» в названии подчёркивает то, что проекция
не искажает углов между направлениями. Все локсодромии (линии
на сфере, пересекающие все меридианы под одним и тем же углом)
20
в ней изображаются прямыми. Меридианы в проекции Меркатора
представляются параллельными равноотстоящими линиями, в то вре-
мя как расстояние между параллелями зависит от широты: вблизи
экватора оно равно расстоянию между меридианами и быстро (как об-
ратный косинус широты) увеличивается при приближении к полюсам.
Масштаб на карте в этой проекции также увеличивается от эк-
ватора к полюсам, поэтому на картах всегда указывается, к какой
параллели относится основной масштаб карты. При этом масшта-
бы по вертикали и по горизонтали всегда равны между собой, чем,
собственно, и достигается равноугольность проекции. Однако, по-
скольку масштаб зависит от широты, имеют место искажения площади
объектов, также нарастающие с приближением к полюсам: на кар-
те площадь Гренландии выглядит сравнимой с площадью Южной
Рис. В.8. Принцип построения проекции Меркатора (1569)
В.З. Средние века
Джон Непер
(1550-1617)
Америки, хотя в реальности она в 8 раз меньше (рис. В.8). По-
этому обычно карту в проекции Меркатора огра-
ничивают областями до 80.. .85° северной и южной
широты.
Благодаря развитию геодезии, архитектуры, аст-
рономии в XVI—XVII веках быстро росла по-
требность в сложных математических расчётах.
Значительная часть трудностей при выполнении та-
ких расчётов была связана с умножением и делением
многозначных чисел. Шотландский математик Джон
Непер предложил заменить трудоёмкую операцию
умножения на существенно более простое сложение,
сопоставив с помощью специальных таблиц геометрическую и ариф-
метическую прогрессии, при этом геометрическая прогрессия была
принята за исходную. Соответственно операция деления заменялась
операцией вычитания.
В предисловии к одной из своих книг Непер писал: «Я всегда
старался, насколько позволяли мои силы и способности, освободить
21
людей от трудности и скуки вычислений, докучливость которых обык-
новенно отпугивает очень многих от изучения математики».
Gr. р
Введение. История навигации: от древности до наших дней
тт | Sintit ] | Logtrithmi | Differentia | tyarithmt | Smits
о 1564345 l855»174 1*3881 987*883 бо
I 15*7*18 1853*8*6 184*8484 1*434* 124804 987*4*7 59
2 1570091 185145" 18389707 9875971 58
з 157*9*4 18496231 183709*4 125267 9875514 57
4 И75837 1578709 18477984 1835**53 1*5731 987505* 5*
L- 1845977* 18333576 126196 9874597 _55
6 1581581 18441594 <8314933 126661 987447 54
158445З 18423451 18*96324 127127 9873*77 53
g 15873*5 184О5341 18*77747 1*7594 9873216 5*
9 159*197 18387*65 18259*03 128062 987*754 51
ю 1593069 183*9**3 18240692 1*8531 987*291 5°
if 1595941 18351*14 18*2*213 129001 9871827 49
12 1598812 18333*37 18*03763 129472 98713** 48
В Ц I601684 18315*94 18185351 1*9943 9870897 47
1*04555 18*97384 1816*9*9 130415 9870431 4*
15 I607426 18*795*7 18148619 18130361 130З88 9869964 45
16 1610297 18*61663 1313*2 9869496 44
«7 I61J168 18*4385’ 1 18112014 Ц1837 98*9027 43
iS l6l6Oj8 182*607! 18093758 132313 9868557 4*
19 1618909 18208323 18*75533 13*790 98*8087 4>
20 1621779 18190606 18057328 <33**8 98*7*1* 4*
21 I624649 1817*9*4 18039177 133747 98*7144
22 1627519 18155*73 18021047 134**6 98*6671 38
*3_ 1630389 I8i37*54 18002948 1347*6 98*6197 37
14 1*33*59 181*0067 17984880 135187 98*57** 3*
15 1636129 1810*511 17966842 135**9 9865*4* 35
26 1638999 18084987 17948835 13*15* 9864770 34
27 16418*8 1644738 18067495 18050034 1793*859 136636 9864*93 33
28 1791*913 137121 9863815 3*
29 1647607 18032604 17894997 137*07 9863336 31
3° 1*5-0476 ( l8oi5**7 Страница 17877114 ИЗ КНИГ! 138093 л Непера 986*85* Э 1 min &
В 1614 г. Непер опубликовал в Эдинбурге сочинение на латинском
языке под названием «Описание удивительной таблицы логарифмов»,
(56 страниц текста и 90 страниц таблиц). В нём было дано краткое
описание логарифмов и их свойств, а также 8-значные таблицы лога-
рифмов синусов, косинусов и тангенсов с шагом 1'. В своём сочинении
Непер сформулировал также метод упрощённого получения всех ос-
новных соотношений в прямоугольном сферическом треугольнике.
В.4. XVII-XVIII века
PHILOSOPHIC
NATURAL1S
P RINCI PI A
MATHEMATICA
Autorc JS. HElPtON, Tri». Cali. Cantob. *r. Matliefcoi
Profcflbre & Sociecatis Rcgjk Srxhli.
IMPRIMATUR.
S. P E P Y S, K<j. Лг. P R ЕЛЕ S
v 1686.
LOV Dim,
Juflu Samant Rteie ac Type Tcfttl» &плм. Proftit apu<!
plurcs Biohopoh. A»*» MDCUXXXVJI.
В конце XVI века в астрономии ещё происходила борьба между
сторонниками геоцентрической системы Птолемея и гелиоцентри-
ческой системы, созданной Николаем Коперником.
Противники системы Коперника ссылались
на то, что в отношении погрешности расчётов
она ничем не лучше Птолемеевой. Действитель-
но, модель Коперника предполагала, что планеты
равномерно вращаются вокруг Солнца по круго-
вым орбитам. Чтобы согласовать это утверждение
с наблюдаемой на практике неравномерностью дви-
жения планет, Копернику пришлось ввести допол-
нительные движения по эпициклам. В результате
его астрономические таблицы, первоначально бо-
лее точные, чем Птолемеевы, вскоре существенно
разошлись с результатами наблюдений. Причину та-
кого расхождения полностью объяснили открытые
Иоганном Кеплером три закона движения планет.
Первый закон Кеплера утверждает, что тра-
ектории всех планет представляют собой эллипс,
в одном из фокусов которого находится Солнце.
Второй закон установил зависимость скорости пла-
неты от расстояния до Солнца (рис. В.9), а третий
Николай Коперник
(1473-1543)
В.4. XVII-XVIII века
Иоганн Кеплер
(1571-1630)
позволил рассчитать эту скорость и период обращения планеты вокруг
Солнца. Первые два закона были опубликованы в 1609 г., а третий —
в 1619 г.
Сторонник гелиоцентрической системы мира, продолжатель идей
Николая Коперника, великий философ Нового времени, итальянский
учёный Галилео Галилей стал одним из основателей точного естество-
знания. Он заложил основы классической механики, сформулировал
23
Рис. В.9. Иллюстрация второго закона Кеплера:
площади А закрашенных секторов равны; время I,
за которое планета проходит соответствующие дуги,
одинаково
Введение. История навигации: от древности до наших дней
Галилео Галилей
основные законы динамики: закон инерции, закон свободного падения,
закон сложения движений, законы движения тела по наклонной плос-
кости и тела, брошенного под углом к горизонту, закон постоянства
периода колебаний маятника. С помощью со-
зданного им телескопа с 32-кратным увеличением
обнаружил фазы у Венеры, пятна на Солнце и горы
на Луне. В 1610 г. им были открыты первые четы-
ре спутника планеты Юпитер — Ио, Европа, Ганимед
и Каллисто. Кроме того, Галилео Галилей выработал
принципы, позволяющие по наблюдениям затмений
четырёх постоянно движущихся спутников опреде-
лять долготу.
В 1642 г. (год смерти Галилея) родился великий
физик и математик Исаак Ньютон.
С работами Ньютона связана новая эпоха в фи-
зике и математике. Он завершил начатое Галилеем
создание теоретической физики, основанной, с од-
ной стороны, на опытных данных, а с другой —
на количественно-математическом описании приро-
ды. В математике появились мощные аналитические
методы. В физике основным методом исследования
природы стало построение адекватных математиче-
ских моделей природных процессов и интенсивное
исследование этих моделей с использованием всей мощи нового мате-
матического аппарата. Последующие века доказали исключительную
плодотворность такого подхода. В своём фундаментальном труде «Ма-
тематические начала натуральной философии» он изложил закон
всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой клас-
сической механики. Разработал дифференциальное и интегральное
исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физи-
(1564-1642)
Исаак Ньютон
(1642-1727)
24
ческие теории. Основываясь на законе тяготения, Ньютон рассчитал
массы Земли, Солнца и Юпитера, установил, что из-за сплюснутости
Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения
Луны и Солнца постоянное медленное движение (прецессию).
Труды Галилея и Ньютона заложили основу для решения одной
из важнейших проблем навигации, которая оставалась нерешённой
в течение многих столетий. Речь идёт об определении географической
долготы и связанной с ней проблеме точного измерения времени.
С развитием мореплавания актуальность этой проблемы нарастала,
и в конце XVII века во Франции и Англии она приобрела характер
государственной.
Долгота — угол между плоскостью меридиана, проходящего через
данную точку, и плоскостью начального (нулевого) меридиана, от кото-
рого ведётся отсчёт долготы. (Выбор нулевого меридиана произволен
и зависит только от соглашения.) С учётом суточного вращения Земли
долгота может измеряться в единицах времени: 1 ч = 15°, 1 мин = 15',
1 с =15". Отсюда следует основной способ определения географи-
ческой долготы при помощи часов, показания которых соответству-
ют отсчёту времени на нулевом меридиане. Необходимо с помощью
секстанта, квадранта, гномона и т.п. определить момент наступле-
ния местного полдня, в этот момент зафиксировать показания часов,
а затем перевести эти показания (с соответствующим знаком) в гра-
дусную меру. Проблема была в том, что часов, способных длительно,
с высокой точностью «хранить» время нулевого меридиана, в ту эпоху
не существовало.
Известные примерно с XIII века часы с колёсами, приводимыми
в движение гирями, не обеспечивали точности, необходимой для науч-
ных экспериментов. Поэтому, например, Галилей при изучении законов
падения измерял интервалы времени, считая удары собственного пуль-
са. Изобретённый им маятник вначале использовали как устройство
для точного измерения небольших промежутков времени путём под-
счёта числа качаний. В последние годы жизни Галилей работал над
лежащей в основе всех часовых механизмов идеей соединения высо-
костабильного источника колебаний (маятника) со счётчиком, но ему
помешала прогрессирующая слепота. Поэтому первые измерения дол-
готы опирались на «астрономическое» время.
В 1668 г. Джованни Доменико Кассини, директор Парижской об-
серватории, наблюдая за затмениями спутников Юпитера, впервые
провёл успешное измерение долготы по методу Галилея. Для этого он
разработал теорию и составил таблицы движения спутников Юпите-
ра, на основании которых мореплаватели по наблюдаемому положе-
нию спутников могли определять время на меридиане обсерватории,
а отсюда — географическую долготу своего корабля (других методов
тогда не было, поскольку корабельные часы не обладали необходимой
точностью). Свои расчёты Кассини основывал главным образом на на-
блюдениях, проводившихся во время противостояния Юпитера. Поз-
В.4. XVII-XVIII века
25
Джованни
Доменико Кассини
(1625-1712)
Оле Рёмер
(1644-1710)
Христиан
Гюйгенс
(1629-1695)
Введение. История навигации: от древности до наших дней
же, продолжив эти наблюдения, он обнаружил, что
моменты затмений спутников тенью планеты ста-
ли запаздывать более чем на 10 мин относительно
времени, рассчитанного в период противостояния.
Датский астроном Оле Рёмер, узнав об этом факте,
объяснил его конечностью скорости распростране-
ния света: когда Юпитер находился ближе к Земле,
свет доходил до неё быстрее. Рёмер определил,
что свет проходит расстояние от Земли до Солнца
за 11 мин (в действительности — за 8,3 мин), впер-
вые оценив таким образом скорость света. В 1693 г.
Кассини уточнил свои таблицы, которые широ-
ко применялись астрономами и мореплавателями.
Этот же метод был использован для первого точно-
го измерения территории Франции. Размеры страны
на практике оказались значительно меньшими, чем
ожидалось, на что Людовик XIV в 1693 г. заметил:
«Никакое военное поражение не сравнится с теми
потерями, которые причинило мне усердие моих гео-
графов».
Дальнейшее развитие методов определения вре-
мени и долготы связано с именем голландского
математика, физика и астронома Христиана Гюй-
генса.
В 1657 г. Гюйгенс получил голландский патент
на конструкцию изобретённых им часов, в ко-
торых маятник выполнял функцию регулятора
хода и обеспечивал превосходную для того време-
ни точность. Центральным элементом конструкции
был придуманный Гюйгенсом якорь, который пе-
риодически подталкивал маятник и поддерживал
незатухающие колебания. Точные и недорогие часы с маятником быст-
ро получили широкое распространение по всему миру.
В 1673 г. Гюйгенс опубликовал классический труд по механике
«Маятниковые часы». Кроме теории часов сочинение содержало мно-
жество первоклассных открытий в области анализа и теоретической
механики. Это и другие сочинения Гюйгенса имели огромное влияние
на молодого Ньютона. Однако все попытки использовать маятниковые
часы в условиях корабельной качки успеха не имели, и в 1679 г. Гюй-
генс склонился к тому, что морской хронометр должен представлять
собой пружинные часы с анкерным механизмом (рис. В. 10) и балан-
сиром. Балансир (баланс), заменивший маятник, представляет собой
лёгкое колесо с поперечиной, соединённое с балансирной пружиной
(рис. В.11).
Именно по такому принципу почти через 100 лет в Англии был по-
строен первый действующий морской хронометр (см. далее) и по сей
26
Рис. В. 10. Простейший
анкерный механизм
Рис. В.11. Современный часовой балансир
(баланс)
день строятся все механические часы. Для Англии, претендовавшей
на роль «владычицы морей», задача определения долготы на море име-
ла первостепенное значение. В 1675 г., согласно королевскому указу,
была создана Гринвичская обсерватория «для того, чтобы научиться
определять такую необходимую долготу с целью совершенствования
искусства навигации».
В 1714 г. английский парламент заслушал доклад Ньютона о про-
блеме морских часов. Учёный закончил свою речь словами: «Часы,
на ход которых не должны влиять ни качка корабля, ни изменения
температуры и влажности, ни различия в силе
гравитации на разных широтах, — такие часы ещё
не созданы». Парламент решает: выплатить масте-
ру, сделавшему часы, пригодные для определения
долготы в море, 20 тыс. фунтов стерлингов (почти
150 кг золота), если часы, «будучи испытаны в пу-
ти до Вест-Индии, дадут ошибку не более 30 миль»
(т. е. 30 с по времени).
За решение этой задачи взялся часовщик-са-
моучка из Йоркшира Джон Гаррисон, которому
в то время шёл двадцать первый год. В 1735 г. Гаррисон предста-
вил комиссии Адмиралтейства первый образец созданных им морских
часов (рис. В. 12).
Часы весили около 35 кг и содержали несколько балансиров, ка-
чавшихся в разных плоскостях, что должно было компенсировать вли-
яние морской качки на точность хода. В них был также использован
новый, изобретённый Гаррисоном анкерный механизм (рис. В. 13).
Испытания часов прошли не вполне удачно, но мастер понял: он
на верном пути. Прошёл год, и комиссии был представлен новый ва-
риант механизма, ещё через восемь лет —третий. Четвёртый вари-
ант хронометра (рис. В.14), законченный в 1761 г., через 36 лет по-
сле первого, ничем не напоминал его: законченность внешнего облика
Джон Гаррисон
(1693-1776)
В.4. XVII-XVIII века
27
Введение. История навигации: от древности до наших дней
Рис. В. 12. Первые морские часы Гаррисона (1735)
Рис. В. 13. Анкерный
механизм спуска, изоб-
ретённый Гаррисоном
Рис. В. 14. Четвёртый вариант
хронометра Гаррисона (1761)
и небольшие размеры часов говорили о масштабах проделанной ра-
боты.
Результаты испытаний этих часов поразили всех: за время перехода
корабля от Портсмута до Ямайки, занявшего 81 сутки, накопленное
расхождение между показаниями хронометра и временем, измеренным
астрономическими методами, составило менее 2 с. Моряки поверили
в хронометр: знаменитый мореплаватель Джеймс Кук взял с собой
часы в плавание, продолжавшееся 3 года. За это время хронометр
отстал всего на 7 мин 45 с, что подтверждало: «хранитель времени»
действительно был создан [2].
28
Рис. В. 15. Секстант
Заслуженную премию мастер получил только в самом конце жизни,
после многочисленных бюрократических проволочек.
Практически одновременно с морским хронометром был изобретён
секстант (в морской терминологии «секстан», рис. В. 15) —нави-
гационный измерительный инструмент, используемый для измерения
высоты светила над горизонтом с целью определения географических
координат.
Например, измерив высоту Солнца в астрономический полдень,
можно, зная дату измерения, вычислить широту местности. Строго
говоря, секстант позволяет точно измерять угол между любыми дву-
мя направлениями. Поэтому, зная высоту маяка (с карты), измерив
В.4. XVII-XVIII века
угол между направлениями на основание маяка и на его верхнюю
часть и произведя несложный расчёт, можно узнать дистанцию до него.
Также можно измерять горизонтальный угол между
направлениями на разные объекты. В секстанте ис-
пользуется принцип совмещения изображений двух
объектов при помощи двойного отражения одного
из них. Этот принцип изобретён Исааком Ньютоном
в 1699 г., но не был опубликован. Секстант в 1730 г.
независимо друг от друга изобрели два человека —
английский математик Джон Хадли и американский
изобретатель Томас Годфри. Главное достоинство
секстанта по сравнению с астролябией и квадрантом
Джон Хадли
(1682-1744)
состоит в том, что высота светила измеряется не относительно самого
инструмента, а относительно горизонта, что даёт большую точность.
При наблюдении через секстант горизонт и светило совмещаются
в одном поле зрения и остаются неподвижными относительно друг
друга, даже если наблюдатель находится на плывущем корабле. Это
достигается благодаря тому, что секстант показывает неподвижный
горизонт прямо, а астрономический объект — сквозь два противопо-
ложных зеркала.
29
Введение. История навигации: от древности до наших дней
Астрономическая навигация получила значительные преимущества
S от изобретения хронометра и секстанта; вместе с компасом они стали
основными инструментами судоводителя и не потеряли своего значе-
ния до настоящего времени.
В Россию навигация как самостоятельная наука пришла в эпох}
Петра I, указом которого 14 января 1701 г. в Москве была создана
Навигацкая школа —первое в России и второе в Европе специали-
зированное техническое учебное заведение с базовой математической
подготовкой. Царским указом в школу велено было принимать детей
всех сословий; в 1706 г. в ней было около 500 учащихся. С 1702 г.
школа размещалась в Сухаревой башне (рис. В. 16), где находились
учебные классы, лаборатории, а также обсерватория.
Рис. В. 16. Сухарева башня
(построена в 1692—1695 гг.,
не сохранилась)
В школе преподавали А. Д. Фарварсон, Л. Ф. Магницкий, выпуск-
ники лондонской Королевской математической школы С. Гвин
и Р. Грейс. Специально для неё были подготовлены печатные учебные
пособия: «Арифметика» Магницкого (1703), «Таблицы логарифмов
и синусов» Фарварсона, Гвина и Магницкого (1704). Учебный цикл
состоял из трёх ступеней — арифметики, высшей математики и прак-
тической навигации. Для дальнейшей специализации выпускников
отправляли на флот, на геодезические и архитектурно-строительные
работы, а с 1714 г.—учителями в «цифирные школы». Школа дей-
ствовала до 1752 г., но период её наиболее активной деятельности
закончился в 1715 г., когда все мореходное образование сосредоточи-
лось в Морской академии, открытой в Петербурге. Для своего времени
школа сослужила большую службу, Пётр I говорил, что «не токмо
к морскому ходу нужна сия наука».
В.5. XIX-XX века
XIX век принято называть веком пара и элек-
тричества. Оснащение судов паровыми двигателя-
ми означало революцию в мореплавании, которое
приобрело глобальный характер. Появилась насущ-
ная потребность в совершенствовании и развитии
средств навигации, а также в систематизации зна-
ний, накопленных в этой области. В 1840 г. Ан-
ри Рапер опубликовал свою знаменитую книгу
«Практическое пособие по навигации и морской
астрономии».
В 1820—1830 гг. немецкий математик Карл
Фридрих Гаусс разработал равноугольную попе-
речно-цилиндрическую проекцию, названную его
именем. В настоящее время эту проекцию ши-
роко используют для построения топографических
карт средних и крупных масштабов (1:25000 —
1:1 000 000) и называют проекцией Гаусса — Крю-
гера (Иоганн Крюгер (1857—1923) — немецкий ма-
тематик, переработавший и усовершенствовавший
в XX веке математический аппарат гауссовой про-
екции).
Одновременно все большее значение приобрета-
ло познание законов магнетизма и электричества.
Итальянский физик Алессандро Вольта создал
первый в мире химический источник тока — элек-
трическую батарею. Его работы наряду с работами
английского физика Майкла Фарадея, французско-
го физика Андре Мари Ампера и других учёных
Hevrv kapo
I he Practice
of Navigation
and Nautical
Astronomy
В.5. XIX-XX века
Карл Фридрих
Гаусс
(1777—1855)
Алессандро Вольта
(1745-1827)
31
заложили фундамент современной науки об элек-
Майкл Фарадей
(1791-1867)
Введение. История навигации: от древности до наших дней
Андре Мари
Ампер
(1775-1836)
Джеймс Клерк
Максвелл
(1831-1879)
Генрих Рудольф
Герц
(1857-1894)
тричестве и магнетизме.
Джеймс Клерк Максвелл открыл фундаменталь-
ные уравнения, описывающие характер электриче-
ского и магнитного полей и их взаимодействия.
Основываясь на результатах работ Максвелла,
немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрёл уст-
ройство, которое генерировало радиоволны.
Научные открытия в области электричества
и магнетизма быстро находили практическое при-
менение, в том числе и в навигации. Так, девиация,
т. е. отклонение стрелки магнитного компаса от на-
правления магнитного меридиана под воздействием
металлосодержащих деталей корабля, впервые бы-
ла замечена навигатором XVI века Жоао де Кастро.
В XIX веке математик Джордж Айри (1801 — 1891)
заинтересовался этим явлением и сделал заклю-
чение, что вклад в девиацию судового компаса
могут вносить как магнитные поля, обусловлен-
ные остаточной намагниченностью корпуса и других
конструкций судна, так и электромагнитные поля,
возникающие в результате протекания электриче-
ского тока в проводниках, расположенных вблизи
компаса.
После того как причины девиации были изу-
чены, были разработаны устройства, создающие
электрические токи, магнитное поле которых ком-
пенсировало поля, порождающие девиацию.
Огромный вклад в развитие навигации внесло
изобретение гироскопа и создание на его основе
гироскопического компаса (гирокомпаса). Основу
механического гироскопа составляет быстро вра-
щающееся тело — ротор, обладающий свойством
сохранять в пространстве неизменное направление
оси вращения при отсутствии воздействия на неё
моментов внешних сил.
Изобретатель механического гироскопа Иоганн
Боненбергер опубликовал описание своего изоб-
ретения в 1817 г. Главная часть гироскопа Бо-
ненбергера (рис. В. 17), ротор, представлял собой
массивный шар, закреплённый в карданном подвесе,
который и обеспечивал независимость положения
оси ротора от внешних сил. Свойство такого гироскопа сохранять фик-
сированную ориентацию в пространстве (указывать фиксированное
направление) французский учёный Жак Фуко впервые использовал
в 1852 г. для демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой
32
демонстрации гироскоп и получил своё название
от греческих слов «вращение», «наблюдаю».
Во второй половине XIX века было предло-
жено использовать электродвигатель для разгона
и поддержания длительного вращения ротора гиро-
скопа Впервые на практике гироскоп был применён
в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации
курса торпеды.
Развитие глобальной навигации потребовало со-
здания соответствующей международной законода-
тельной базы. В 1884 г. на Международной мериди-
анной конференции в Вашингтоне было предложено
принять Гринвичский меридиан за нулевой, а Грин-
вичское время — за начало отсчёта времени для всех
других временных зон.
В XX веке, наряду с дальнейшим развитием
методов и средств навигации в интересах море-
плавания появилась новая обширная область их
применения — аэронавигация. Уже в первые деся-
тилетия XX века, по мере того как дирижабли
и самолёты стали использовать как транспортное
и боевое средство, на них начали устанав-
ливать разработанные к тому времени на-
вигационные приборы. В частности, морской
секстант использовался также и на самолётах,
где при помощи отвеса и уровня с воздушным
пузырьком определяли искусственные гори-
зонты. Начиная с 1920 г. уровень с воздушным
пузырьком стали использовать в составе пу-
зырькового секстанта, созданного специально
для самолётов. Усовершенствование гироком-
паса позволило применить его в авиации. Про-
тотип современного гирокомпаса (рис. В. 18)
первым запатентовал в 1908 г. германский
инженер Герман Антшютц-Кэмпфе; вскоре,
в 1911 г., подобный прибор запатентовал аме-
риканец Элмер Сперри.
В 1914 г. Лоуренс Сперри (сын
Элмера Сперри) создал и запатен-
товал «авиационный стабилизатор»,
который, по сути, был первым авто-
пилотом.
В 1920 г. появились первые си-
стемы инерциальной навигации, по-
строенные на основе трёх акселеро-
метров, которые устанавливали орто-
Иоганн
Боненбергер
(1765-1831)
Жан Фуко
(1819-1868)
Рис. В. 17. Гироскоп
В.5. XIX-XX века
Лоуренс и Элмер Сперри
33
Рис. В. 18. Гирокомпас
х
Рис. В. 19. Принцип действия
механического акселерометра:
Д — демпфер
Введение. История навигации: от древности до наших дней
гонально на платформе, стабилизированной при помощи гироскопов.
Простейший механический акселерометр представляет собой чувстви-
тельную массу, связанную с корпусом упругим элементом, например
пружиной (рис. В. 19).
При ускоренном движении объекта возникает ньютоновская сила
F = та, которая вызывает отклонение чувствительной массы. Изме-
ряя величину отклонения Дх, можно при известной жёсткости пру-
жины определить величину этой силы, а следовательно, и ускорение
а = F/т. Дважды интегрируя измеренную величину ускорения по вре-
мени, можно рассчитать пройденный путь и, зная начало отсчёта и на-
правление движения, своё текущее местоположение.
Благодаря присущему инерциальным навигационным системам
свойству автономности (подробнее см. разд. 1.2) начиная с 50-х
годов XX века такие системы нашли широкое применение в авиаци-
онной и ракетной технике.
Быстрое развитие в XX веке автомобильного транспорта породило
ещё одну сферу использования традиционной навигации —маршрут-
ную навигацию. Первые механические прототипы навигационных си-
стем, которые кроме измерения расстояния и определения направ-
ления могли выполнять функцию навигации по маршруту, появились
в начале XX века. Например, в США начиная с 1910 г. было разра-
ботано множество механических навигационных систем, предоставля-
ющих информацию по маршруту в режиме реального времени. Наи-
более часто используемыми бортовыми механическими устройствами
в то время были карта Джонса, автомобильные навигационные си-
стемы Chadwick road guide (путеводитель Чадвика) и Rhodes route
indicator (индикатор маршрута Чадвика). В системе Chadwick road
guide металлический диск с отверстиями поворачивался пропорцио-
нально пройденному пути. Отверстия отмечали перекрёстки на марш-
руте. К дорожкам на диске пружинами прижимались специальные
молоточки. При попадании молоточка в отверстие устройство издавало
звонок и специальный рычажок с кодированным символом указы-
вал водителю, какое действие необходимо выполнить В карте Джон-
са описание маршрута печаталось на вращающемся бумажном дис-
34
ке, а стрелка указывала правильное направление движения. В обоих
устройствах диск необходимо было менять с каждым новым маршру-
том, тогда как в системе Rhodes route indicator одновременно могло
использоваться несколько носителей цилиндрической формы.
Одним из первых навигационных устройств с электронными ком-
понентами был автомобильный одограф, который автоматически ри-
совал траекторию транспортного средства на карте в надлежащем
масштабе. Разработанный во время Второй мировой войны инжене-
рами США, этот прибор определял местоположение военной машины,
совмещая функции одометра и магнитного компаса, в котором поло-
жение стрелки считывалось при помощи фотоэлемента.
В конце 1960-х годов был сделан первый шаг в разработке со-
временных интеллектуальных транспортных систем, базирующихся
на достижениях радиоэлектроники и вычислительной техники. Пер-
вая такая система была создана в США и представляла собой центр
управления трафиком с функцией диспетчеризации. С использовани-
ем сети маяков ближнего действия, находящихся на определённых
перекрёстках, система устанавливала двухстороннюю связь между
центром управления и всеми транспортными средствами, оборудован-
ными соответствующими приёмопередатчиками. Вся инфраструктура
использовалась для сбора данных, необходимых для выдачи водите-
лям соответствующих инструкций. Таким образом, система предлагала
беспроводную навигацию отдельного транспортного средства и одно-
временно контролировала и распределяла транспортный поток.
Развитие цифровых технологий картографии и микропроцессоров
стало основой для создания первых автономных транспортных навига-
ционных систем. Прототип первой автоматической системы управле-
ния маршрутом появился в начале 1970-х годов. В ней использовались
цифровые карты, алгоритмы счисления пути, алгоритмы распознава-
ния карт для определения траектории транспортного средства. Кроме
того, система поддерживала функцию голосового и визуального со-
провождения. Первые автономные коммерческие системы такого типа
появились в начале 1980-х годов, первая автономная система с ис-
пользованием цифровых карт, хранящихся на CD-ROM и отобража-
ющихся на цветном дисплее,— в середине 1980-х годов, а первая ав-
тономная система с использованием приёмника GPS — в 1990-х годах.
В начале 1990-х годов интеллектуальные транспортные системы
начали активно внедряться в развитых странах, при этом основные
проекты и инициативы были сконцентрированы в США, Японии и Ев-
ропе. В Российской Федерации работы в данном направлении являют-
ся одним из приоритетных направлений коммерческого использования
ГЛОНАСС, развитие которых предусмотрено в рамках различных го-
сударственных целевых программ.
В.5. XIX-XX века
Глава 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ПРИНЦИПЫ
РАДИОНАВИГАЦИИ
1.1. Основные понятия и определения
Как отмечалось выше, источниками информации при решении на-
вигационных задач могут быть различные события и явления есте-
ственного и искусственного происхождения: астрономические данные,
параметры и законы изменения магнитного, гравитационного и электро-
магнитного полей, инерциальные явления в движущихся массах и т. п.
Навигационную систему, которая использует для решения своих
задач только естественные поля и данные, называют автоном-
ной. Типичным примером могут служить системы астронавигации или
инерциальные (см. раздел В.5) системы. Если же для работы систе-
мы необходимы искусственные поля и данные, созданные внешними
(по отношению к потребителю) источниками, систему называют неав-
тономной.
Радионавигационной системой (РНС) называют совокупность
радиоустройств, а также вспомогательных технических средств, рас-
положенных как на объекте (потребителе), так и вне него и пред-
назначенных для решения задач навигации. При решении указанных
задач РНС используют радиосигналы внешних искусственных источ-
ников с известными координатами — опорных радионавигационных
точек (ОРНТ), поэтому РНС относят к классу неавтономных.
Используемые в РНС методы определения местоположения (по-
зиции) объекта подразделяют на позиционные и непозиционные. Ме-
тоды, позволяющие однозначно определить текущее местоположение
потребителя без привлечения данных о его местоположении во все
предшествующие (начиная с начала движения) моменты времени,
относятся к классу позиционных, в противном случае —к классу
непозиционных [2]. Большинство современных РНС реализуют по-
зиционные методы; автономные навигационные системы, как правило,
являются непозиционными. Простейшим примером непозиционной
37
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
системы может служить описанный выше счётчик пройденного пу-
ти (одометр), а также инерциальные навигационные системы.
В процессе функционирования РНС решает задачу навигацион-
но-временных определений (НВО), основным содержанием которой
является определение вектора состояния (ВС) потребителя. В ка-
честве компонент ВС обычно рассматривают пространственные коор-
динаты потребителя {%, у, z}, составляющие вектора скорости {х, у, z},
а также поправку тп шкалы времени потребителя (ШВП) относи-
тельно системной шкалы времени (СШВ).
Перечисленные составляющие ВС не являются параметрами ра-
диосигнала и не могут быть непосредственно измерены радиотех-
ническими методами. Поэтому в РНС реализован косвенный метод
определения компонент ВС: потребитель (П) измеряет некоторые
параметры принятого радиосигнала (радионавигационные пара-
метры — РНП): время его прихода /, фазу ср (или разность фаз Лер)
относительно некоторого опорного генератора, доплеровский сдвиг
частоты Fjx, амплитуду сигнала А и др. Измеренным РНП сопостав-
ляются функционально связанные с ними величины — навигационные
параметры (НП), характеризующие положение потребителя относи-
тельно ОРНТ, — углы визирования ОРНТ, дальности R или разности
дальностей А/? до нескольких ОРНТ и т. п. Затем, используя навига-
ционные функции — априори известные функциональные зависимо-
сти между НП и компонентами ВС, — а также априорную информацию
о координатах ОРНТ, определяют указанные компоненты.
Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением
НП называют поверхностью положения. Пересечение двух поверх-
ностей положения определяет линию положения, т. е. геометрическое
место точек, соответствующих двум значениям навигационного па-
раметра. Местоположение потребителя определяется координатами
точки пересечения трёх поверхностей положения или двух линий поло-
жения. Линии положения, описываемые уравнениями второго и более
высоких порядков, могут пересекаться более чем в одной точке, что
приводит к неоднозначности измерений. Для того чтобы устранить
неоднозначность (выделить среди нескольких возможных положений
истинное), необходимо либо проводить дополнительные измерения,
позволяющие построить соответствующую дополнительную поверх-
ность положения, либо использовать априорную информацию, позво-
ляющую исключить лишние корни уравнений, например отрицатель-
ные значения высоты потребителя над уровнем Мирового океана [2].
Все методы радионавигационных измерений базируются на посту-
лате, согласно которому в свободном пространстве электромагнитные
волны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью.
На практике при распространении радиоволн в атмосфере Земли этот
постулат нарушается, поскольку групповая и фазовая скорость ра-
диоволн зависит от параметров атмосферы; соответственно возникают
погрешности измерений (см. гл. 6).
1.2. История развития радионавигационных
систем наземного базирования
1.2.1. Угломерные методы радионавигации
А. С. Попов
(1859-1905)
Принципиальная возможность использования радиосигналов для
целей навигации стала очевидной практически одновременно с первы-
ми удачными опытами А. С. Попова по радиосвязи,
поскольку в ходе этих опытов была установле-
на возможность определения направления прихода
радиоволн путём пеленгации источника радиоизлу-
чения с помощью направленной антенны. Поэто-
му первыми нашедшими практическое применение
в радионавигации были угломерные методы пози-
ционирования, использующие направленное излуче-
ние и приём сигналов.
В современной терминологии к угломерным от-
носятся РНС, которые обеспечивают определение
направлений (линий визирования) «ОРНТ — потребитель» или «по-
требитель — ОРНТ». В зависимости от конкретных особенностей
построения и принципов измерения различают радиопеленгатор-
ные, радиомаячные, курсоглиссадные системы, радиокомпасы
и др. [3, 4].
В радиопеленгаторной системе антенна приёмника потребителя П
(пеленгатора) является направленной, а ОРНТ (радиомаяк — РМ)
имеет ненаправленную антенну (рис. 1.1). В простейшем случае пелен-
гация может осуществляться по максимальному сигналу, принятому
рамочной или дипольной антенной. В настоящее время чаще ис-
пользуют сканирующие или многоэлементные антенны, позволяющие
реализовать более точные методы (равносигнальной зоны, пеленгации
по минимуму сигнала и т. п.).
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
39
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Рис. 1.1. Схема определения ази-
мута радиопеленгаторным методом:
П— потребитель; РМ— радиомаяк;
ДНА— диаграмма направленности
антенны
ю
Если для простоты предположить,
что пеленгатор и РМ расположены
в одной плоскости, то направление
на РМ характеризуется углом пе-
ленга oci мужду электрической осью
диаграммы направленности антенны
(ДНА) пеленгатора и направлением,
принятым за нулевое. Если за нуле-
вое принято направление север — юг,
то угол oq называют азимутом, или
истинным пеленгом. Очевидно, что
линией положения в данном случае
является луч, совпадающий с элек-
трической осью диаграммы направ-
ленности антенны (ДНА) пеленгатора
и образующий угол оц с направлением меридиана. На практике при
расположении пеленгатора и РМ на земной поверхности линией по-
ложения будет дуга большого круга, проходящего через точки их
расположения, — ортодромия. В трёхмерном пространстве поверх-
ность положения представляет собой плоскость, проходящую через
центр Земли и содержащую линию положения.
В отличие от пеленгаторных в радиомаячных системах направлен-
ной является антенна ОРНТ, потребитель использует ненаправленную
антенну (рис. Е2). Обычно антенна РМ вращается (сканирует) с по-
стоянной скоростью, известной потребителю. В момент совпадения
оси ДНА РМ с нулевым (например, северным) направлением дополни-
тельная ненаправленная антенна РМ излучает специальный короткий
«нулевой» сигнал, принимаемый пеленгатором и определяющий нача-
ло отсчёта углов. Фиксируя одним из рассмотренных выше способов
момент совпадения оси ДНА с направлением на пеленгатор П, мож-
но вычислить обратный пеленг осо — угол между линией визирования
ОРНТ и нулевым направлением, проходящим через точку нахождения
РМ. Очевидно, что этот угол, пропорциональный интервалу времени
между временем приёма нулевого и максимального сигналов, опреде-
ляет линию положения (см. выше).
Местоположение потребителя радиопеленгаторным и радиомаяч-
ным способом определяется как точка пересечения двух линий поло-
жения, соответствующих пеленгам двух РМ, причём прямая, соединя-
ющая их, не должна проходить через потребителя (рис. ЕЗ).
Дальнейшим развитием радиомаячных систем являются РНС с ак-
тивным ответом, позволяющие измерить не только угол визирова-
ния РМ, но и дальность до него и, таким образом, определить своё
местоположение по сигналу единственного РМ. Однако точность из-
мерения третьей координаты — высоты — в радиомаячных системах,
как и в любых других РНС, ОРНТ которых расположены на зем-
ной поверхности, оказывается недопустимо низкой из-за влияния
40
Рис. 1.2. Схема определения
обратного пеленга
радиомаячным методом:
П — потребитель; РМ — радиомаяк;
ДНА — диаграмма направленности
антенны
Рис. 1.3. Схема определения
местоположения потребителя
угломерным методом:
П — потребитель; РМ — радиомаяк
*ак называемого геометрического фактора (см. гл. 6). Поэтому
тёхмерное местоопределение в таких РНС возможно только за счёт
эивлечения информации от дополнительных источников, например
т барометрического или радиовысотомера.
Типичным примером РНС, в которой реализованы описанные вы-
методы, может служить российская система ближней навигации
Г'СБН) или её зарубежный аналог VOR/DME [3, 4].
Система содержит два канала:
• канал измерения азимута — всенаправленный азимутальный ра-
диомаяк (VHF Omni-directional Radio Range — VOR);
• канал измерения задержки — всенаправленный дальномерный ра-
хномаяк (Distance Measuring Equipment — DME) [3, 4].
Азимутальный радиомаяк (VOR), использующий сканирующую
с постоянной скоростью направленную антенну, обеспечивает потре-
' • •елю возможность определения обратного пеленга (см. выше).
Дальномерный радиомаяк (DME) работает по принципу измере-
ния интервала времени между излучением маяком запросного сигнала
приёмом ответного сигнала, сформированного бортовым ответчиком.
Система работает в УКВ-диапазоне (108...117 МГц).
Курсоглиссадная система (КГС) (Instrument Landing System—
/’LSt представляет собой аэронавигационный комплекс, обеспечива-
юишй точный заход воздушного судна на посадку. Система состоит
двух радиомаяков — курсового и глиссадного.
Курсовой радиомаяк задаёт воздушному судну направление дви-
жения в горизонтальной плоскости, совпадающее с осевой линией
члетно-посадочной полосы (ВПП). Антенная система маяка пред-
’ вляет собой многоэлементную фазированную решётку дециметро-
вого диапазона, размещённую за пределами ВПП на продолжении её
:евой линии. Эта антенная система в простейшем случае формирует
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
41
в пространстве два узких противофазных лепестка по левую и пра-
вую стороны от осевой линии, при этом в одном лепестке несущая
модулирована по амплитуде синусоидой частоты 90 Гц, а в другом —
частоты 150 Гц. При сложении этих сигналов в пространстве возника-
ет амплитудная модуляция суммарного сигнала, причём глубина этой
модуляции зависит от величины углового отклонения приёмника от
равносигнальной линии, совпадающей с осью ВПП, а фаза огибаю-
щей зависит от направления отклонения. Таким образом, измеряемыми
радионавигационными параметрами в данном случае являются глуби-
на модуляции и фаза суммарного сигнала (рис. 1.4).
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Рис. 1.4. Схема определения линии курса самолёта:
ДНА — диаграмма направленности антенны
Глиссадный РМ обеспечивает движение воздушного судна вдоль
глиссады — заданной траектории снижения самолёта до момента ка-
сания ВПП. Антенная система глиссадного радиомаяка представля-
ет собой в простейшем случае решётку из двух разнесённых по вы-
соте направленных антенн, формирующих в вертикальной плоскости
двухлепестковую ДН. Принцип измерения отклонения не отличается
от описанного выше.
Радиокомпас — автоматический радиопеленгатор, позволяющий
определять направление на РМ, а также на радиовещательные стан-
ции. Радиокомпасы обычно оборудуются двумя антеннами — нена-
правленной, штыревой, и направленной, рамочной. Пеленгация осу-
ществляется по минимуму сигнала, принятого рамочной антенной,
причём для более точной фиксации этого минимума используется до-
полнительная фазовая модуляция принимаемого сигнала. Для контро-
ля наличия сигнала в моменты достижения минимумов используется
ненаправленная антенна. Существуют два основных вида радиокомпа-
42
— навигационные и поисковые. Первые, работающие в СВ-диапа-
зоне, используются в аэронавигации при полёте по маршруту и заходе
на посадку. Вторые, работающие в УКВ-диапазоне, предназначены
для определения направления на РМ или аварийную радиостанцию
т. поисково-спасательных работах.
На практике используются многочисленные модификации описан-
ных выше угломерных методов, однако в настоящее время эти методы
в основном применяют в РНС, рабочая зона которых не превыша-
ет 50...100 км, поскольку линейная погрешность позиционирования
пя этих методов быстро растёт с увеличением дальности до потреби-
теля. Действительно, даже при допущении, что угловая погрешность
пеленгации источника не зависит от дальности до него, соответствую-
щая линейная погрешность возрастает пропорционально расстоянию
нс. 1.5).
Рис. 1.5. Зависимость линейной ошибки угломерных измерений
от дальности:
РМ — радиомаяк. Si. S2 — площади области вероятного местонахож-
дения объекта, S2>Si; — области вероятного местонахождения
объекта
Фактически при увеличении дальности угловая погрешность также
возрастает вследствие снижения (пропорционально квадрату дально-
сти) мощности сигнала. В итоге при расстояниях порядка сотни кило-
метров и более точность амплитудной пеленгации оказывается непри-
емлемо низкой. Иллюстрацией сказанного может служить созданная
в годы Второй мировой войны радиомаячная система Consol (Вели-
кобритания), работавшая в диапазоне частот 250...350 кГц. Ширина
диаграммы направленности её антенны составляла 10...15°, соответ-
ственно угловая погрешность измерений имела порядок 1...2°, что
на дальности 100 км соответствовала линейной погрешности позици-
онирования порядка 1,5...3 км [5].
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
1.2.2. Дальномерные методы радионавигации
С учётом отмеченных выше ограничений, присущих угломерным
методам НВО, в 1930-е годы были начаты разработки дальномерных
43
методов, погрешность позиционирования которых при увеличении
дальности от ОРНТ до П возрастает существенно медленнее, чем для
угломерных.
Искомым НП в дальномерных методах является расстояние
от ОРНТ до потребителя R, а измеряемым РНП — интервал вре-
мени т, за которое радиосигнал преодолевает это расстояние. Время
{задержка) т может определяться как путём измерения временного
положения максимума огибающей принятого импульсного сигнала, так
и путём измерения фазы несущей, а также по результатам совместной
обработки измерений по огибающей и фазе.
Линии положения при дальномерных измерениях на плоскости
представляют собой окружности радиусов
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
7?i=cti; /?;=ст;; Rn = cxn,
где z — текущий индекс используемой ОРНТ; « — общее число таких
ОРНТ (не менее двух) (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Дальномерные измерения на плоскости
Обязательным условием проведения дальномерных измерений яв-
ляется синхронная работа расположенных на ОРНТ опорных генера-
торов (ОТ), с помощью которых формируется начало отсчёта времени
или фазы несущей.
Как следует из рис. 1.6, при « = 2 измерения не являются одно-
значными, так как линии положения пересекаются в двух точках и для
определения истинной позиции необходимо привлекать дополнитель-
ную информацию (см. выше). Дополнительная неоднозначность воз-
никает при фазовых измерениях, если дальность R превышает длину
волны несущей X, что обусловлено циклическим характером изменения
фазы во времени.
В первых образцах дальномерных РНС использовались фазовые
методы измерений, большой вклад в развитие которых внесли советские
учёные. В частности, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси и Е. Я. Щё-
голев предложили и запатентовали способ определения расстояния
между двумя пунктами, основанный на измерении в точке наблюдения
разности фаз сигналов, принимаемых от двух источников (ОРНТ) [6].
44
Такой способ был реализован в РНС Decca (Великобритания,
1944), предназначенной для судовождения на удалениях до 500 км.
В частности, эта система использовалась для управления кораблями
и судами, участвовавшими в боевой операции по высадке десанта со-
юзных войск в Нормандии. РНС работала в диапазоне 70...130 кГц;
для устранения неоднозначности фазовых измерений использовался
многочастотный метод: передатчик каждой ОРНТ работал на соб-
ственной «литерной» несущей частоте, кратной «базисной» частоте,
равной примерно 14,2 кГц.
Однако в полном смысле массовое применение РНС связано с со-
зданием во время Второй мировой войны в США импульсной раз-
ностно-дальномерной системы LORAN (Long Range Aid to Navi-
gation — навигационное оборудование дальнего радиуса действия).
Принцип действия разностно-дальномерной РНС состоит в изме-
рении потребителем разности Дт времени приёма импульсных радио-
сигналов, излучаемых в синхронизированные моменты времени двумя
или более ОРНТ (передающими станциями). Достоинство разностных
методов состоит в том, что измеряемый РНП Дт не зависит от начала
отсчёта шкал времени (ШВ) ОРНТ, поэтому отсутствует проблема
синхронизации ШВ аппаратуры потребителя (АП) с ШВ ОРНТ, что
существенно упрощает АП.
Определив НП —разность расстояний до двух ОРНТ:
Д/? = Д1 — /?2 = с Дт,
можно найти поверхность положения Д/? = const, имеющую вид ги-
перболоида вращения. Пересечение поверхности положения с поверх-
ностью Земли представляет собой гиперболу Д/? = const, в фокусах
которой расположены ОРНТ. Именно поэтому РНС этого класса ча-
сто называют гиперболическими.
Поскольку координаты передающих станций известны потреби-
телю, для определения своего местоположения он должен измерить
разность времени прихода сигнала от двух пар передающих стан-
ций, а затем найти точку пересечения соответствующих двух гипербол
(рис. 1.7). Индикаторы разностно-дальномерных РНС обычно снаб-
жаются шаблонами, на которых нанесены семейства гипербол, соот-
ветствующих различным значениям параметра Дт для используемой
комбинации (цепочки) станций [2. 3].
Система LORAN имела две основные модификации — LORAN-A
и LORAN-С. Появившаяся первой, система LORAN-A использовала
для измерения временных интервалов огибающую принятых импульс-
ных сигналов. Цепочка станций LORAN-A обычно состояла из трёх
передающих станций — ведущей (master) и двух ведомых (secondary).
Мощность излучения передатчиков составляла 200.. .2 000 кВт. Прин-
цип синхронизации системы предусматривал, что ведомые станции
излучали сигналы в момент поступления на них импульса ведущей
станции. Таким способом устранялась неоднозначность измерений,
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
45
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Рис. 1.7. РНС LORAN
связанная с тем, что в общем случае гиперболы могут иметь несколь-
ко точек пересечения. Станции располагались на расстоянии нес-
кольких сотен километров и использовали пять фиксированных ча-
стотных каналов в диапазоне средних волн 154... 172 м. Дальность
действия системы LORAN-A в зависимости от времени суток состав-
ляла 1 000.. .2 500 км, а погрешность определения местоположения —
1...10 км. Для повышения точности использовался метод, основанный
на приёме сигналов более чем двух пар станций и выборе гипербол,
пересекающихся под углом, наиболее близким к прямому
Дальнейшим развитием данного направления явилась импульсно-
фазовая РНС (ИФРНС) LORAN-С. Её основное отличие от си-
стемы LORAN-A состоит в том, что для измерения разности вре-
мени прихода сигналов в ней используется не только огибающая
принятого импульсного сигнала, но и фаза колебаний его несущей
частоты (100 кГц). Учёт фазовой информации позволил уменьшить
погрешность местоопределения примерно до 100 м. Дальность дей-
ствия LORAN-С при высоте подъёма антенн около 200 м дости-
гала 4000 км. До появления спутниковой радионавигации систе-
ма Лоран являлась наиболее массовым средством радионавигации
В 1969 г. в СССР была введена в эксплуатацию Европейская цепь
ИФРНС «Чайка», аналогичная LORAN-С. Система была предназна-
чена для определения координат самолётов и кораблей с погрешно-
стью 50...100 м.
Основные технические характеристики
РНС LORAN-С и «Чайка»
Мощность излучения, кВт ... 200.. .2 000
Несущая частота. кГц ...... 100 (Х = 3 км)
Режим работы .............. Импульсный
Покрытие .................. Зональное
46
В период массового использования разностно-дальномерных си-
стем функционировало более 30 цепочек опорных станций. Размеще-
ние опорных станций LORAN и «Чайка» на поверхности Земли и зоны
их действия иллюстрирует рис. 1.8.
Рис. 1.8. Зоны действия ИФРНС LORAN и «Чайка»
В 2010 г. эксплуатация системы LORAN-С прекращена. В 2011 г.
завершены работы по разработке комплексированных региональных
дифференциальных подсистем на базе передающих станций ИФРНС
«Чайка» и аппаратуры системы ГЛОНАСС на базе передающих стан-
ций Северо-Кавказской, Северной и Восточной цепей. Это направле-
ние предполагает, в частности, использование технических решений
проекта Eurofix (Еврофикс) по созданию региональных спутнико-
вых дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS на основе ис-
пользования передающих станций ИФРНС LORAN-С в качестве
средств передачи дифференциальных поправок и информации контро-
ля целостности спутниковых радионавигационных систем (подробнее
см. разд. 8.2).
Наряду с импульсно-дальномерными системами в послевоенные
годы продолжали развиваться фазовые дальномерные системы, в част-
ности, в конце 60-х годов XX века в США была разработана глобаль-
ная система Omega, работающая в сверхдлинноволновом диапазоне.
Синхронизация всех передающих станций этой системы осуществля-
лась от единого эталона всемирного времени, что повысило точность
измерений. В состав системы Omega вошли восемь станций, располо-
женных в США, Японии, Норвегии, Аргентине, Либерии, на Гавайских
островах и о. Реюньон (рис. 1.9). Высота мачт антенных систем этих
станций достигает 350.. .400 м, что обеспечивает дальность действия
системы до 10 тыс. км.
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
47
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Рис. 1.9. Расположение передающих станций РСДН (•) и Omega (•)
В это же время в СССР была введена в строй аналогичная фа-
зовая РНС дальнего действия РСДН-20 («Альфа») (три передатчика
системы РСДН расположены в районе Новосибирска, Краснодара,
Комсомольска-на-Амуре) (см. рис. 1.9). Эти передатчики излучают
последовательности сигналов длительностью 3,6 с на несущих часто-
тах 11,905, 12,649 и 14,881 кГц. Радиоволны на этих частотах отража-
ются от самых нижних слоёв ионосферы и поэтому в меньшей степени
подвержены затуханию в ионосфере (ослабление 3 дБ на 1 000 км), од-
нако фаза волны очень чувствительна к высоте отражения. Поэтому
погрешность позиционирования достигает нескольких километров
Основные технические характеристики РНС РСДН и Omega
Мощность излучения, кВт .......................... 500
Несущая частота, кГц ............................. 10,2...13,6
Погрешность определения положения (СКО), км ... 1,8...3,6
Одновременно в эксплуатацию была введена радионавигационная
система высокой точности (РСВТ) с дальностью действия в пределах
1 000 км, предназначенная для обеспечения судовождения в арктиче-
ских районах СССР.
В описанных системах реализован разностно-дальномерный метод
местоопределения, но измерения задержки производятся не по огиба-
ющей импульса, а по фазе несущей.
Вплоть до конца 1960-х годов действовавшие РНС наземного
базирования в целом удовлетворяли требованиям, предъявлявшимся
в то время к качеству навигационного обеспечения подвижных объ-
ектов, прежде всего надводных и воздушных судов. Однако по мере
развития техники всё более существенным становился ряд недостатков
этих РНС, обусловленных именно наземным расположением ОРНТ.
48
Во-первых, любая РНС наземного базирования оставалась ло-
кальной, поскольку некоторые области Мирового океана не «по-
крывались» даже самыми мощными передатчиками РНС LORAN-C
и Omega. При этом вблизи точек базирования этих передатчиков
мощность их излучения представляла реальную опасность для людей
и окружающей среды.
Во-вторых, с ростом интенсивности воздушного движения всё
большую актуальность приобретала проблема точного определения
третьей координаты воздушных судов —высоты над средним уров-
нем моря (абсолютной высоты), которая необходима диспетчерам
для назначения безопасного эшелона, особенно при полётах на пе-
ресекающихся курсах. Использовать для решения этой проблемы
бортовые радиовысотомеры нельзя, поскольку они определяют вы-
соту относительно поверхности, находящейся в данный момент под
воздушным судном, т. е. их показания зависят от рельефа местно-
сти. Как следствие, для двух воздушных судов, фактически летящих
на одной абсолютной высоте, значения текущей высоты, измерен-
ной бортовыми радиовысотомерами, могут значительно отличаться,
вводя экипаж и диспетчеров в опасное заблуждение. Традиционно
для определения абсолютной высоты на воздушных судах исполь-
зуют барометрические датчики, однако их показания сильно зависят
от погодных условий, поэтому при больших дальностях полёта, когда
метеоусловия на трассе существенно отличаются от условий, в ко-
торых проводилась предполётная калибровка, точность их измерений
часто оказывается недопустимо низкой.
Точное измерение абсолютной высоты с помощью наземных РНС
возможно только при условии, что расстояние между объектом
и ОРНТ сравнимо с высотой полёта, т. е. в локальной зоне, например
в районе аэропортов. Для расширения зоны точного определения аб-
солютной высоты с помощью РНС необходимо, чтобы хотя бы одна
ОРНТ располагалась над объектом (подробнее о влиянии на точ-
ность НВО так называемого геометрического фактора см. гл. 6).
Таким образом, к концу 60-х годов XX века возникла настоятель-
ная необходимость кардинальных изменений, которые позволили бы
устранить перечисленные и другие недостатки РНС наземного базиро-
вания и вывести качество радионавигационного обеспечения на прин-
ципиально иной уровень. Поставленная цель была достигнута благо-
даря созданию спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
Научно-техническим фундаментом при их разработке стали принципы
навигационных измерений, статистические методы обработки сигналов
и другие решения, разработанные в ходе создания РНС наземного ба-
зирования.
1.2. История развития радионавигационных систем наземного базирования
1.3. Спутниковые радионавигационные
системы первого поколения
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Общепризнано, что в США толчком к началу практических работ
в области спутниковой радионавигации послужил успешный запуск
в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) (октябрь.
1957 г.). В СССР работы в области навигационного использова-
ния ИСЗ были начаты в 1955 г., а их результаты были опубли-
кованы в 1957 г. одновременно с запуском первого ИСЗ. Ведущая
роль в создании основ теории систем навигации, в которых носите-
лем источника навигационного сигнала является ИСЗ, принадлежала
научному коллективу Ленинградской военно-воздушной инженерной
академии (ЛВВИА) им А. Ф. Можайского под руководством профес-
сора В. С. Шебшаевича [7].
Следует отметить, что сама идея использовать в качестве ОРНТ
объект, движущийся со скоростью порядка нескольких километров
Владимир
Александрович
Котельников
(1908-2005)
ровского сдвига
в секунду, в то время вызывала сомнение даже у спе-
циалистов в области радионавигации. Важнейший
постулат, обосновывающий такую возможность, со-
стоит в том, что орбита спутника и параметры
его движения могут прогнозироваться и контро-
лироваться с высокой точностью, т. е. на момент
проведения НВО координаты ИСЗ считаются из-
вестными.
В 1957 г. под руководством академика В. А. Ко-
тельникова были проведены исследования, под-
твердившие возможность определения параметров
движения ИСЗ по результатам измерений допле-
частоты сигнала ИСЗ, принимаемого потребителем,
координаты которого априори известны. Одновременно была доказана
возможность решения обратной задачи — определения координат по-
требителя (приёмника) по результатам измерений доплеровского сдвига
сигнала ИСЗ, траектория движения которого известна потребителю.
Рассмотрим два возможных метода решения этой задачи.
50
Пусть ИСЗ движется С ПОСТОЯННОЙ скоростью ОиСЗ ПО круговой
орбите радиуса /?исз, лежащей в плоскости, проходящей через центр
земной сферы (рис. 1.10)
Рис. 1.10. Схема определения координат по-
требителя дифференциальным доплеровским
методом:
П — потребитель
Рис. 1.11. Зависимости допле-
ровского сдвига частоты от вре-
мени и расстояния
Потребителю П. находящемуся на поверхности Земли, известно
положение ИСЗ на орбите в каждый момент времени, а также несу-
щая частота /о сигнала, излучаемого передатчиком ИСЗ. Измеряя
текущее значение частоты /(/) сигнала,
наблюдаемого потребителем, можно по-
строить зависимость принимаемого сиг-
нала от времени доплеровского сдвига
частоты (ДСЧ) (рис. 1.11):
Fam = - f„.
В момент to, соответствующий крат-
чайшему расстоянию между ИСЗ и по-
требителем (в морской навигации этот
момент называется прохождением тра-
верза, отсюда и одно из названий метода,
см. ниже), доплеровский сдвиг становится равным нулю: Дд(/о) = 0
и меняет знак. Потребитель, зафиксировав этот момент, может по-
строить поверхность своего положения в виде проходящей через центр
Земли плоскости, нормальной к вектору скорости ИСЗ и содержащей
точку, в которой находился ИСЗ в момент траверза. Линия пересе-
чения указанной плоскости с поверхностью Земли является линией
положения. Для определения на этой линии точки, соответствующей
1.3. Спутниковые радионавигационные системы первого поколения
51
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
положению наблюдателя, можно воспользоваться тем фактом, что
при заданных уИсз, ^исз и /о производная (крутизна) кривой /д(г)
при t = to однозначно зависит от расстояния Д(/о) между ИСЗ и по-
требителем (см. рис. 1.11). Определив таким способом R(to), строят
поверхность положения в виде сферы радиуса R(to) с центром в точ-
ке нахождения ИСЗ в момент t = to. Местоположение потребителя
соответствует точке пересечения этой сферы с линией положения.
Таким образом, координаты потребителя определяются по результа-
там фиксации момента прохождения траверза to и расчёта величины
производной Лд при t = to. Поэтому данный метод называют диф-
ференциальным доплеровским или траверзным [3].
Основной недостаток метода состоит в том, что для его реализации
необходим значительный интервал времени наблюдения, гарантиро-
ванно включающий в себя момент прохождения ИСЗ через траверз,
но при этом для измерений используется только энергия сигнала, на-
копленная за короткий интервал времени, прилегающий к моменту
t = to. Очевидно, что такой режим энергетически невыгоден, посколь-
ку для получения приемлемой точности измерений требуется большое
отношение сигнал/шум на входе измерителя. Выполнить данное требо-
вание достаточно сложно, поскольку приёмник, используемый в этом
методе, должен быть широкополосным (из-за необходимости выпол-
нения операции вычисления производной /д(/)).
Более эффективным с указанной точки зрения является другой ме-
тод, основанный на интегрировании частоты сигнала на конечных
интервалах времени. Суть этого метода, получившего название ин-
тегрального доплеровского, сводится к следующему. Пусть в точке
приёма аппаратура потребителя измеряет доплеровский сдвиг несущей
частоты сигнала НКА Ад(/) и вычисляет интеграл
h Ц
]>д(()Л = -& = [R(/,)- R(l2)] =& AR, (11)
/1 tl
где /2 — 6 — фиксированный интервал времени; [0 — известная несу-
щая частота сигнала НКА; с — скорость света; R — расстояние до НКА.
Из формулы (1.1) следует, что значение интеграла от доплеровской
частоты на интервале Д/i = t% — t\ пропорционально разности даль-
ностей до НКА в моменты времени t\ и t%. Поскольку по условию
координаты НКА на орбите в отсчетные моменты t\ и t% известны,
на основании значений ДА?1 можно рассчитать поверхность положе-
ния потребителя, которая удовлетворяет условию Д/?1 = const и име-
ет вид гиперболоида. Определив второе значение Д/?2, относящееся
к интервалу времени Д/г = h~ t%, рассчитывают вторую аналогичную
поверхность положения, при этом положение наблюдателя определя-
ется точкой пересечения двух гиперболоидов и земной поверхности.
Эта точка не обязательно является единственной, т. е. в общем слу-
чае решение навигационной задачи не однозначно. Для устранения
52
этой неоднозначности можно использовать результаты измерений, по-
лученные в другие моменты времени, или имеющиеся у потребителя
априорные данные об его местоположении.
Отметим, что интегральный доплеровский метод, так же как и диф-
ференциальный, использует результаты измерений, полученные
на некотором интервале времени, т. е. не обеспечивает возможности
одномоментных НВО. Однако этот интервал может быть выбран
достаточно произвольно и не обязательно должен включать в себя
момент прохождения траверза.
Началом полномасштабных работ по созданию отечественной
СРНС послужил запуск в 1967 г. первого навигационного космиче-
ского аппарата (НКА) «Космос-192». Спутник излучал непрерывные
сигналы на частотах 150 и 400 МГц; СКО координатных измерений
по этим сигналам составляло 250.. .300 м.
Результаты исследований, проведённых в 1960-х годах, определили
технический облик первого поколения СРНС, который был реализо-
ван в советских низкоорбитальных СРНС «Циклон-Б» и «Цикада».
Навигационно-связная система «Циклон-Б» в составе шести кос-
мических аппаратов «Парус», обращающихся на околополярных орби-
тах высотой порядка 1 000 км, была принята в эксплуатацию в 1976 г.
Рис. 1.12. Навигационный космический
аппарат системы «Цикада»
В 1979 г. была введена в эксплуатацию СРНС «Цикада», которая
предназначалась главным образом для навигации гражданских мор-
ских судов. Высота круговых орбит чётырех НКА СРНС «Цикада»
(рис. 1.12), как и у НКА «Парус», составляла око-
ло 1000 км, период обращения — около 100 мин,
наклонение орбитальной плоскости относительно
экваториальной — 83°.
Головным исполнителем разработки СРНС «Ци-
када» стал возглавляемый академиком М. Ф. Ре-
шетнёвым коллектив НПО прикладной механи-
ки (в настоящее время — ОАО «Информационные
спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решет-
нёва), г. Железногорск [8].
Разработку бортовой полезной нагрузки и на-
земного комплекса управления (НКУ) «Цикада»
Михаил
Фёдорович
Решетнёв
(1924-1996)
1.3. Спутниковые радионавигационные системы первого поколения
53
Михаил Сергеевич
Рязанский
(1909-1987)
возглавил член-корреспондент АН СССР М. С. Ря-
занский — Главный конструктор радиосистем управ-
ления, директор НИИ-885 (в настоящее вре-
мя — ОАО «Российские космические системы»),
г. Москва. М. С. Рязанский был одним из шести
членов легендарного Совета главных конструкторов
под председательством С. П. Королёва. Работы это-
го Совета на многие годы, вплоть до наших дней,
определили пути развития советской и российской
космонавтики.
В СРНС «Цикада» был реализован следующий
принцип работы. НКУ с помощью соответствующих
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
средств контроля определяет орбиту НКА и уход БШВ относительно
системной и «закладывает» эти данные в бортовой компьютер НКА
для последующей передачи потребителю в составе навигационного
сообщения (НС). Потребитель принимает и расшифровывает НС, из-
меряет на некотором интервале времени последовательность значений
ДСЧ сигнала НКА и определяет собственные координаты интеграль-
ным доплеровским методом.
При указанных выше параметрах орбитальной группировки зона
радиовидимости НКА для наземного потребителя имела радиус поряд-
ка 2 000 км, а время пребывания в этой зоне (длительность навигаци-
онного сеанса) лежала в пределах 5... 15 мин. Поскольку длительность
передачи полного объёма НС составляет 2 мин, существовала воз-
можность за время одного навигационного сеанса провести несколько
независимых измерений, результаты которых затем усреднялись для
повышения точности позиционирования.
Доступность навигационных определений по сигналам СРНС «Ци-
када» характеризовалась следующими параметрами: на широтах поряд-
ка 80° (N, S) среднее значение перерыва между навигационными сеан-
сами имело порядок 30 мин, на экваторе оно возрастало до ~ 110 мин
Не более чем в 5 % случаев перерыв мог достигать 6.. .8 ч, но никогда
не превышал 24 ч. Отметим, что при высотах орбит порядка 1 000 км
непрерывная доступность хотя бы одного НКА могла быть обеспечена
только при наличии в орбитальной группировке 45—70 аппаратов.
По результатам испытаний СРНС «Цикада» было установле-
но, что погрешность определения местоположения движущегося суд-
на по навигационным сигналам этих систем составляет 250...300 м
(СКО). Выяснилось также, что основной вклад в погрешность нави-
гационных определений вносят погрешности передаваемых спутникам
собственных координат, которые рассчитываются и закладываются
на борт КА средствами НКУ С целью повышения точности определе-
ния и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников
была отработана специальная схема проведения измерений пара-
метров орбит средствами НКУ, разработаны более точные методики
прогнозирования. Для выявления локальных особенностей гравитаци-
54
онного поля Земли, оказывающих воздействие на выбранные орбиты
НКА, на такие же орбиты были запущены специальные геодезические
спутники. Комплекс принятых мер позволил уточнить координаты из-
мерительных средств и вычислить параметры согласующей модели
гравитационного поля, предназначенной специально для определения
и прогнозирования параметров движения НКА. В результате точ-
ность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных
координат была повышена практически на порядок, так что их по-
грешность на интервале суточного прогноза не превышала 70.. .80 м.
Как следствие, погрешность определения морскими судами своего ме-
стоположения уменьшилась до 80 ... 100 м.
Оснащение спутниковой навигационной аппаратурой судов торго-
вого флота оказалось очень выгодным, поскольку благодаря повы-
шению точности судовождения достигалась такая экономия времени
плавания и топлива, что бортовая аппаратура потребителя окупала
себя после первого же года эксплуатации.
В дальнейшем НКА СРНС «Цикада» были дооборудованы ап-
паратурой для приёма и ретрансляции сигналов бедствия, передава-
емых радиобуями системы «Коспас». Радиобуи, которыми оснаща-
ются различные морские суда, самолёты и другие объекты, работают
на частотах 121 и 406 МГц. Их сигналы, ретранслированные с НКА,
принимаются специальными наземными станциями, где определя-
ются координаты объекта, терпящего бедствие. Система «Коспас»
совместно с американо-франко-канадской системой Sarsat образу-
ют Всемирную службу поиска и спасения. За более чем 20-летнюю
историю существования этой службы с её помощью было спасено
несколько десятков тысяч человек.
В США в конце 1960-х годов была создана низкоорбитальная
СРНС «Транзит», облик и основные параметры которой близки
к СРНС «Цикада».
Успешный опыт эксплуатации СРНС «Цикада» и «Транзит» под-
твердил перспективность спутниковой радионавигации как основной
линии развития радионавигации в целом. В то же время стали очевид-
ны следующие принципиальные недостатки низкоорбитальных СРНС
первого поколения.
1. Не была обеспечена непрерывная глобальная доступность их
сигналов. Перерывы между сеансами наблюдения НКА (см. выше)
исключали для потребителя возможность оперативного определения
местоположения в произвольный момент времени или непрерывного
определения местоположения в течение длительного интервала време-
ни. Уменьшить интервал между сеансами, увеличив количество НКА,
было нельзя, поскольку все НКА использовали идентичные сигналы
и при их одновременном наблюдении возникали взаимные помехи.
2. При использовании интегрального доплеровского метода необ-
ходимо результаты измерений, полученные в ходе навигационного
сеанса в разные моменты времени, приводить к одному отсчетному
1.3. Спутниковые радионавигационные системы первого поколения
55
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
моменту. Технические средства, существовавшие на момент созда-
ния СРНС первого поколения, обеспечивали точность синхронизации
бортового эталона времени НКА и опорного генератора аппаратуры
потребителя, соответствующую погрешности определения местополо-
жения неподвижного потребителя порядка 50 м (СКО). Для опре-
деления координат движущегося потребителя требуется независимая
(полученная от других источников) оценка его собственной скоро-
сти. При этом точность определения местоположения интегральным
доплеровским методом существенно зависит от точности указанной
оценки. Так, при погрешности измерения собственной скорости, рав-
ной 0,5 м/с, погрешность определения местоположения достигает
уже порядка 500 м, т. е. по сравнению с неподвижным потребите-
лем возрастает примерно в 10 раз. Испытания самолётного варианта
аппаратуры потребителя подтвердили, что погрешность определения
местоположения слабо зависит от манёвров носителя и определяется
в основном точностью оценки путевой скорости; максимальная по-
грешность измерения координат самолёта достигала 2 км.
3. По результатам наблюдения одного НКА практически невоз-
можно трёхмерное определение местоположения. Для описанного вы-
ше интегрального доплеровского метода данное утверждение непо-
средственно следует из того, что в качестве одной из поверхностей
положения потребителя априори принимается земная (или морская)
поверхность. Проблема высокоточного определения высоты воздуш-
ных судов и других летательных аппаратов в рамках СРНС первого
поколения оставалась нерешённой.
Таким образом, СРНС первого поколения не могли обеспечить
выполнение требования, которое всё настойчивее предъявлялось к на-
вигационным системам по мере появления новых классов потребите-
лей, — в глобальном масштабе обеспечить возможность в любой мо-
мент времени определять три координаты, вектор скорости и точное
время.
Для реализации такой возможности необходимо проводить изме-
рения не менее чем по четырём ОРНТ (см. раздел 3.1.2), что наклады-
вает соответствующее условие на структуру орбитальной группировки
НКА: в любой момент времени в любой точке земной поверхности
должна быть обеспечена возможность наблюдения не менее четырёх
НКА. Удовлетворить эти и другие важные требования путём модерни-
зации СРНС первого поколения было невозможно. Рассматривавши-
еся на определённом этапе варианты расширения возможностей этих
систем за счёт наращивания числа НКА при одновременном увели-
чении высоты орбиты, а также за счёт добавления к доплеровскому
каналу дальномерного не обеспечивали радикального улучшения си-
туации. Поэтому начиная с 1970-х годов в СССР и США практически
одновременно были развёрнуты работы по созданию СРНС второго
поколения — глобальных навигационных спутниковых систем.
1.4. Спутниковые радионавигационные
системы второго поколения
(глобальные навигационные
спутниковые системы)
1.4.1. Концепция построения
В основу концепции построения ГНСС был положен ряд принци-
пиальных требований, вытекающих из назначения систем. Согласно
этим требованиям, навигационное поле ГНСС должно быть не толь-
ко непрерывным в пространстве и времени в глобальном масштабе,
но при этом должна быть обеспечена возможность одновременного
наблюдения не менее четырёх НКА для одномоментного реше-
ния навигационной задачи в трёхмерном пространстве.
При этом подразумевалось, что аппаратура потребителя (АП)
должна быть как можно более компактной, простой и иметь невы-
сокую стоимость, что соответственно увеличивало функциональную
нагрузку, возлагаемую на аппаратуру НКА и НКУ.
В качестве базовых в концепции выдвигались следующие требова-
ния к ГНСС [9]:
• беззапросность НВО — автономность процесса формирования
и излучения навигационных сигналов на НКА без инициализации
со стороны потребителя;
• независимость НВО — возможность определения искомых на-
вигационных параметров в АП без привлечения других средств и ис-
точников информации.
В дальнейшем, по мере развития гражданских применений ГНСС,
таких, как управление воздушным движением и судовождением, всё
большее значение приобретали следующие характеристики ГНСС:
• точность — степень соответствия местоположения потребите-
ля, определённого в данный момент времени с помощью навигацион-
1.4. Спутниковые радионавигационные системы второго поколения (глобальные навигационные спутниковые систем
57
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
ной системы, истинному положению, которая характеризуется допу-
стимой величиной отклонения определённых координат от истинных.
(Количественной мерой точности являются абсолютное значение раз-
ности между определёнными и истинными значениями координат или
среднеквадратическая погрешность (СКП));
• доступность (готовность) — вероятность работоспособности
ГНСС в момент обращения к ней и в процессе навигационного сеанса;
• целостность — вероятность выявления отказа системы в тече-
ние заданного времени или быстрее;
• непрерывность — вероятность сохранения непрерывной рабо-
тоспособности системы на заданном промежутке времени. (Под задан-
ным, как правило, подразумевается наиболее важный с практической
точки зрения отрезок времени, например время захода на посадку воз-
душного судна.)
Современные требования к указанным характеристикам ГНСС за-
висят от характера задач, решаемых потребителями. Численные зна-
чения точности позиционирования изменяются в широких пределах —
от долей метра до нескольких километров. Доступность услуг ГНСС
при полёте воздушного судна по маршруту должна быть не ниже 0,999,
а при заходе на посадку в зоне аэродрома — не ниже 0,99999. На эта-
пе посадки особую важность приобретает целостность НВО, которая
должна быть не ниже 10~7 на заход при времени предупреждения
об отказе 2...6 с, в зависимости от этапа посадки воздушного суд-
на [11] (подробнее см. гл. 9).
Для решения поставленной задачи при проектировании ГНСС
были избраны среднеорбитальные НКА с высотой орбиты порядка
20 тыс. км (дальнейшее увеличение высоты орбиты нецелесообразно,
так как практически не приводит к расширению зоны видимости НКА).
Период обращения НКА для такой высоты орбиты составляет около
12 ч. При указанных параметрах орбит для того, чтобы гарантировать
в любой точке территории России одновременное наблюдение не менее
четырёх НКА, достаточно иметь в составе орбитальной группировки
18 НКА.
Гарантированное 100 %-ное покрытие всей Земли достигается при
наличии в составе орбитальной группировки не менее 24 НКА. При
этом на значительной части территории Земли обеспечивается воз-
можность наблюдения большего количества НКА, что повышает точ-
ность и надёжность навигационных измерений. С учётом данных сооб-
ражений было принято, что штатный состав орбитальных группировок
ГНСС должен состоять из 24 НКА.
Кроме коренного изменения структуры и геометрии орбитальной
группировки в ГНСС с самого начала были заложены средства, обес-
печивающие прецизионную взаимную синхронизацию бортовых шкал
(эталонов) времени НКА. Большое внимание уделялось также разви-
тию средств высокоточного определения и прогнозирования парамет-
ров орбит (эфемерид) НКА.
58
Решение перечисленных, а также и многих других задач позволило
создать, ввести в эксплуатацию и в итоге предоставить в пользование
всему населению Земли две среднеорбитальные системы — россий-
скую ГЛОНАСС и американскую NAVSTAR/GPS.
1.4.2. Обобщённая структурная схема ГНСС
Как уже отмечалось, принципиальная особенность СРНС состоит
в том, что роль ОРНТ в них играют НКА, совершающие автоном-
ное орбитальное движение. Поэтому, в отличие от РНС наземного
базирования, основными подсистемами которых являются аппаратура
базовых станций и АП, в состав ГНСС обязательно входит ещё одна
подсистема — НКУ. Эта подсистема обеспечивает контроль и прогно-
зирование параметров орбиты НКА, контроль точности и коррекцию
бортовых эталонов времени, дистанционный мониторинг исправности
бортовой аппаратуры и управление режимами её работы, составом,
объёмом и скоростью передачи служебной информации и пр.
Соответственно на момент создания структура ГНСС включала
в себя три основные подсистемы [9, 10]:
1) подсистему НКА;
2) подсистему НКУ;
3) подсистему АП.
По мере роста требований потребителей к качеству услуг НВО
были созданы системы функциональных дополнений (ФД), т. е.
специальные комплексы аппаратуры наземного и космического бази-
рования, обеспечивающие потребителей в определённом регионе или
локальной области дополнительными услугами, например повышени-
ем точности навигационных определений за счет применения методов
дифференциальной навигации (подробнее об этом см. гл. 8). Именно
с создания широкозонных ФД началось развитие технологий фор-
мирования радионавигационного поля с помощью НКА на высоких
орбитах, которые позволили перейти от глобальных к региональным
навигационным системам.
Общие принципы взаимодействия отдельных подсистем и функ-
циональных дополнений ГНСС иллюстрирует структурная схема, при-
ведённая на рис. 1.13.
Расширение количества средств, привлекаемых для решения задач
навигационного обеспечения потребителей, включая функциональные
дополнения, потребовало создания более сложных глобальных нави-
гационных систем (ГНС).
Общепринятой практикой стало включение в состав ГНС комплекса
средств фундаментального обеспечения, ответственного за поддержа-
ние соответствующей системы координат и времени. В состав средств
фундаментального обеспечения входят средства лазерной дальномет-
рии, радиоинтерферометры со сверхдлинной базой и др. В связи с тем
что параметры систем координат и шкал времени являются медленно
1.4. Спутниковые радионавигационные системы второго поколения
59
Глава 1. История развития и принципы радионавигации
Рис. 1.13. Обобщённая структурная схема ГНСС
Таблица 1.1
Характеристики ГНСС и РНСС
Название ГНСС Страна Штатный состав орбитальной группировки Тип орбиты
ГЛОНАСС Российская Федерация 24/29* Средняя круговая
GPS США 24/32
Galileo ЕС 27
Compass КНР 27
3 Геосинхронная наклонная околокруговая
5 Геостационарная
QZSS Япония 4 Высокая эллиптическая
IRNSS Индия 4 Геосинхронная наклонная околокруговая
3 Геостационарная
* Фактическое количество НКА в орбитальной группировке
60
меняющимися, то средства фундаментального обеспечения являются
неоперативными, в отличие от всех остальных составных частей ГНС.
1.4.3. Тенденции развития ГНСС
ГНСС в том виде, в котором они существуют и используют-
ся сейчас, зародились в начале 1970-х годов, когда Советский Со-
юз и США практически в одно время начали разработку систем
ГЛОНАСС и GPS. В настоящее время каждая из этих систем име-
ет на орбите полноценную орбитальную группировку НКА, которые
обеспечивают предоставление услуг в глобальном масштабе.
Помимо данных систем в настоящее время работы по созданию
собственных систем Galileo и Compass реализуют страны Европей-
ского союза и Китай соответственно. Кроме того, Япония реализует
национальную программу по построению региональной навигационной
спутниковой системы (РНСС) QZSS, в составе китайской системы
Compass существует региональная подсистема из НКА на высоких
орбитах, в июле 2013 г. Индия запустила первый НКА РНСС под
названием IRNSS. В табл. 1.1 приведена информация о количестве
НКА в каждой из существующих и создаваемых систем. Подробно
программы развития ГНСС и РНСС описаны в гл. 7.
Необходимо отметить, что, учитывая роль спутниковой навигации
в развитии человечества, Генеральная Ассамблея ООН в своей ре-
золюции 54/68 от 1999 г. рекомендовала странам-членам сформиро-
вать план мероприятий по широкому внедрению передовых спутнико-
вых технологий, включая спутниковую навигацию. В 2001 г. рабочая
группа из представителей 38 государств и 15 межгосударственных
и неправительственных организаций под председательством предста-
вителей Италии и США рекомендовала создать Международный ко-
митет по ГНСС ICG (International Committee on Global Navigation
Satellite Systems). План мероприятий по созданию ICG был утвер-
жден резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН 59/2 в 2004 г., а сам
ICG был учрежден в ходе Международной встречи в Вене 1—2 декабря
2005 г.
В состав ICG входят четыре рабочие группы. Рабочая группа А
рассматривает вопросы гармонизации развития ГНСС в контексте их
совместимости и взаимодополняемости. Рабочая группа В разрабаты-
вает рекомендации по повышению качества и расширению примене-
ния услуг ГНСС. Вопросы популяризации услуг ГНСС обсуждаются
в рамках рабочей группы С. Различные аспекты совершенствования
систем координат, шкал времени и вопросы фундаментального обес-
печения ГНСС являются предметом рассмотрения рабочей группы D.
1.4. Спутниковые радионавигационные системы второго поколения
Глава 2
КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМ
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени
UT TAI UTC GPS ГЛОНАСС
12=00-00 12=00=35 12 0000 12=00=16 12 0000
2.1.1. Единицы измерения времени
Рассмотрение принципов построения и функционирования спутни-
ковых навигационных систем невозможно без предварительного озна-
комления с основными понятиями, относящимися к единицам измере-
ния, и системами отсчёта времени, которые используются в ГНСС.
Различают две основные группы единиц отсчёта времени:
1) астрономические;
2) неастрономические.
Основной астрономической единицей времени являются сутки,
т. е. интервал, за который Земля, с точки зрения наблюдателя, непо-
движно находящегося на поверхности Земли, делает один полный
оборот вокруг своей оси относительно некоторой точки отсчёта на не-
бесной сфере. Сутки делятся на 86400 интервалов, называемых се-
кундами. Характерная особенность астрономических суток — зависи-
мость их длительности от выбора точки отсчёта (центр видимого диска
Солнца, точка весеннего равноденствия и т. п.). Соответственно раз-
личают звёздные и солнечные сутки. Длительность солнечных суток
зависит ещё и от времени года, поэтому вводится понятие средних
солнечных суток. Между звёздным и средним солнечным временем
существует следующее соотношение: 24 ч звёздного времени равны
23 ч 56 мин 4,091 с среднего солнечного времени.
Поскольку скорость вращения Земли относительно своей оси
не сохраняется строго постоянной, продолжительность звёздных и сол-
нечных суток также меняется. Поэтому для точных расчётов было
введено равномерно текущее эфемеридное время, единицей которого
является эфемеридная секунда, рассчитываемая как 1/86400 доля
средней продолжительности суток в определённый день 1900 г. Си-
стема отсчёта времени, основанная на среднем солнечном времени,
была введена в 1928 г. III Генеральной ассамблеей Международного
астрономического союза. Это время называется Всемирным време-
нем, или универсальным временем UT (Universal Time). Всемирное
время является современной заменой среднего времени по Гринвичу
GMT (Greenwich Mean Time).
Очевидно, что системы отсчёта, где в качестве эталона единицы
времени принят период вращения Земли, адекватны задачам астро-
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени
63
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
номии, а также для описания процессов, происходящих на Земле
в течение сравнительно длительных периодов времени. К середине
XX века стало ясно, что точность лучших часов, созданных человеком,
превзошла точность астрономического эталона времени — периода
обращения Земли вокруг своей оси, т. е. назрел переход к неастро-
номическому базису измерений времени. Такой базис был реализован
в атомных (квантовых) эталонах времени (частоты) — устройствах,
в которых используются квантовые переходы частиц (атомов, молекул,
ионов) из одного энергетического состояния в другое.
Возможность использования квантовых эффектов для генериро-
вания колебаний стабильной частоты или точного измерения частоты
колебаний основывается на одном из фундаментальных положений
атомной физики — постулате Н.Бора. Согласно этому постулату,
внутренняя энергия частицы (атома, молекулы, иона) может принимать
только некоторые строго фиксированные дискретные значения, назы-
ваемые энергетическими уровнями. При переходе частицы с вы-
сокого энергетического уровня на более низкий избыток энергии ДЕ
выделяется в виде кванта электромагнитного излучения, обладающего
чрезвычайно высокой стабильностью частоты /о = &E/h (/г —посто-
янная Планка) и монохроматичностью.
В 1967 г. на XII Генеральной конференции по мерам и весам
была принята единица времени, не зависящая от вращения Зем-
ли, — «атомная» секунда. «Атомная» секунда — интервал времени,
в течение которого происходит 9 192631 770 колебаний, соответству-
ющих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями
сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия 133Css при
отсутствии возмущений от внешних магнитных полей. В настоящее
время «атомная» секунда принята за единицу времени в международ-
ной системе СИ вместо ранее применявшейся эфемеридной секунды;
погрешность атомной секунды относительно эфемеридной составляет
±2- 10-9. Устройство, формирующее эталонную шкалу международ-
ного атомного времени TAI (Time Atomic International), получило
название цезиевого стандарта частоты. Поскольку шкалы UT и TAI
в общем случае не согласуются между собой, введена промежуточ-
ная шкала, получившая название Всемирного координированно-
го времени UTC (Universal Time Coordinated), которая базируется
на «атомной» секунде.
Шкала времени UTC периодически корректируется на 1 с та-
ким образом, чтобы её рассогласование со шкалой UT не превышало
0,97 с. Коррекцию шкалы UTC на ±1 с, при которой происходит
так называемый секундный скачок (leap second), производит Между-
народное бюро времени по рекомендациям Международной службы
вращения Земли (МСВЗ, International Earth Rotation Service —
IERS). Коррекция шкалы UTC, как правило, производится один раз
в год в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, а в случае необ-
ходимости — в обе даты. Положительная секунда начинается в 23 ч
64
59 мин 60 с UTC и заканчивается в 0 ч 0 мин 0 с UTC первых суток
следующего месяца. В случае отрицательной секунды после момента
23 ч 59 мин 58 с через 1 с следует момент 0 ч 0 мин 0 с первых суток
следующего месяца. Шкалы времени, используемые во всех ГНСС,
так или иначе «привязаны» к UTC, однако в конкретной организации
этих шкал имеются некоторые различия, которые будут описаны далее
(см. гл. 7).
2.1.2. Принцип работы квантовых стандартов частоты и времени
Квантовые стандарты частоты бывают двух типов — активного
и пассивного. В стандартах активного типа, называемых также кван-
товыми генераторами, электромагнитные колебания, возникающие
в результате квантовых переходов, используют после соответствую-
щего усиления в качестве стандартных (опорных). В квантовых стан-
дартах пассивного типа измеряемая частота колебаний внешнего ге-
нератора калибруется относительно эталонной частоты колебаний, со-
ответствующих заданному квантовому переходу.
Квантовые стандарты пассивного типа. Первым промышленным
эталоном частоты был пассивный квантовый стандарт на пучках ато-
мов цезия. Главной частью такого эталона является атомно-лучевая
трубка, в которой поддерживается высокий вакуум (рис. 2.1).
В одном конце трубки вакуумного контейнера располагается источ-
ник пучка атомов цезия — нагретая до температуры близкой к 100 °C
полость, в которой находится небольшое количество расплавленно-
го цезия (/пл = 29,5°C). Полость соединена с трубкой узким каналом
или набором параллельных каналов. Поскольку при указанной тем-
пературе давление паров жидкого цезия невелико, его атомы, вылетая
из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталки-
ваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо
расходящийся пучок атомов цезия.
В противоположном конце трубки расположен приёмник (детектор)
атомов цезия, который представляет собой нагретую вольфрамовую
проволоку, расположенную вдоль оси электрода полуцилиндрической
формы. Атомы цезия, соприкоснувшись с раскалённым вольфрамом,
отдают ему валентные электроны, становятся положительными ионами
и притягиваются к отрицательно заряженному электроду — коллекто-
ру. Очевидно, что сила тока через гальванометр детектора /г пропор-
циональна числу ионов, достигших коллектора.
По пути от источника к детектору пучок атомов цезия проходит
между полюсными наконечниками двух магнитов. Неоднородное маг-
нитное поле первого магнита расщепляет пучок атомов цезия на два
пучка, один из которых содержит атомы, находящиеся на энергетиче-
ском уровне Е\, второй —на энергетическом уровне Е%. Рассортиро-
ванные по уровням атомы попадают в объёмный резонатор, к которому
приложено постоянное (фокусирующее) магнитной поле, а также вы-
сокочастотное электромагнитное поле, создаваемое внешним генера-
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени
65
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
Рис. 2.1. Схема цезиевого эталона частоты и времени:
1 — термоконтейнер с цезием; 2, 4 — постоянные магниты; 3, 5 — ловушки; 6 — детектор;
7 — сервопривод подстройки; 8 — кварцевый генератор; 9 — формирователь частоты; 10 —
СВЧ-волновод; 11 — вакуумный контейнер; 12 — формирователь импульсов секундных меток
(1 pps — pulse per second); 13 — объёмный резонатор
тором. Под действием высокочастотного поля часть атомов совершает
переход с уровня Е\ на уровень Е2 и наоборот. После резонатора пото-
ки атомов оказываются в поле второго магнита, геометрия и параметры
которого подобраны таким образом, что коллектора достигают только
атомы, совершившие под действием электромагнитного поля вынуж-
денный переход, т. е. изменившие в области резонатора свою энергию
путём поглощения или испускания кванта радиоизлучения. Число та-
ких атомов максимально, если частота внешнего электромагнитного
поля равна частоте квантового перехода
/о = ±^ = 9 192631 770 Гц,
которая и принимается в качестве опорной точки (репера) на шкале ча-
стот. Соответственно частота генератора внешнего электромагнитного
поля, при которой число атомов, достигающих коллектора в единицу
времени (сила тока в гальванометре) максимальна, отождествляется
с частотой /о-
66
Ширина резонансного пика кривой /г(/) соответствует эквивалент-
ной добротности колебательного контура порядка 10-13, такой же по-
рядок имеет мгновенная погрешность измерения частоты /о- Для умень-
шения погрешности результаты измерений усредняются во времени.
Существенным преимуществом цезиевых стандартов является
то, что их серийные образцы, в том числе предназначенные для раз-
мещения на подвижных объектах, мало уступают по точности эталону
Начиная с 1978 г. и по настоящее время государственный эталон
времени и частоты (ГЭВЧ) Российской Федерации обеспечивает неза-
висимое воспроизведение размера единицы времени с помощью пер-
вичного цезиевого атомно-лучевого репера частоты МЦР-102. Чертёж
атомно-лучевой трубки МЦР-102 приведён на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Конструкция атомно-лучевой трубки МЦР-102:
1 — детектор; 2 — магнитные экраны; 3 — соленоид; 4 — селектирующий
шестиполюсный магнит; 5 — цезиевый источник; 6 — резонатор
Трубка МЦР-102 имеет шестиполюсную магнитную систему, сс-
ылающую продольное фокусирующее магнитное поле, точечный де-
гектор атомного пучка и СВЧ-резонатор, длина которого составляет
- 100 см. Пролётное пространство экранировано от внешних магнит-
ол полей тремя слоями экранов из пермаллоя. Источники и детекто-
[ ь пучка размещены на обоих концах трубки, что позволяет изменять
направление атомного пучка на противоположное, т. е. работать ли-
бо с < левым», либо с «правым» пучком. Для возбуждения атомных
переходов используется сигнал СВЧ-генератора, частота которого
''192 МГц) равна сумме частот двух сигналов — умноженной на 1836
истоты 5 МГц сигнала водородного хранителя (5- 1836 = 9180 МГц)
частоты ~ 12 МГц сигнала с выхода схемы фазовой автоподстройки
.'нтезатора. Ширина спектральной линии, выделяемой резонатором,
. ставляет ~ 110 Гц, а величина тока резонанса (5... 10) • 10-12 А.
Как почти все цезиевые реперы частоты, создававшиеся в ми-
ре в то время, МЦР-102 предназначался для калибровки атомных
шкал времени, воспроизводимых промышленными хранителями вре-
мени и частоты, т. е. был рассчитан на кратковременную работу.
П данным 1978 г., неисключенная систематическая погрешность вос-
р» изведения частоты невозмущённого перехода в основном состоянии
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени
67
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
атома цезия репером МЦР-102 не превышала 5- 10-13 (неисключен-
ной называют составляющую систематической погрешности, поправки
на которую не вводятся в силу её малости).
Работы по модернизации репера сопровождались последователь-
ным снижением значения неисключенной систематической погрешно-
сти: с 1982 г. - ~ 1 • 10-13, с 1990 г. - 5 • 10"14, с 2001 г. - 3 • 10“14.
По мере конструктивного усовершенствования, повышения точно-
сти воспроизведения репером МЦР-102 частоты квантового перехода
росла и его долговременная стабильность: средняя разность частот,
воспроизводимых МЦР-102 и TAI за последние 10 лет, составила
Рис. 2.3. Схема МЦР
«Фонтан»
0,7 10-14, а СКО среднемесячных значений от-
носительной разности частот МЦР-102 и TAI
за этот же период — 1,2 • 10-14.
В последние годы были разработаны кванто-
вые часы нового поколения на основе цезиевого
атомного фонтана (метрологический цезиевый
репер МЦР «Фонтан») (рис. 2.3). Высокая ста-
бильность частоты этого МЦР обеспечивается
за счёт создания близких к идеальным с точки
зрения устранения внешних возмущений усло-
вий, в которых происходят квантовые переходы
и их регистрация. Для этого в сверхглубоком
(не хуже 1 • 10-8 Па) вакууме с помощью ори-
гинального атомного спектроскопа, имеющего
12 оптических окон для подвода лазерных лу-
чей, происходит удержание облака атомов цезия
и упорядочивается их движение, что приводит
к снижению эквивалентной шумовой температу-
ры («охлаждению») пучка. Область спектроско-
па, в которой происходит удержание и «охла-
ждение» атомов цезия, так называемая «опти-
ческая трясина», изображена на рис. 2.4. После
прохождения «оптической трясины» температура атомного облака со-
ставляет ~ 5 • 10-7 К. Система экранирования магнитного поля позво-
ляет более чем в 105 раз ослабить влияние внешних магнитных полей.
Для определения частоты атомного резонанса атомное облако,
сформированное в «оптической трясине», с помощью лазеров под-
брасывается вверх, пролетает через опросный резонатор, достигает
апогея и под действием силы тяжести падает вниз, вторично проле-
тая через опросный резонатор. Затем с помощью лазеров определяют
квантовое состояние атомов, прошедших через опросный резонатор,
и оценивается частота квантового перехода, после чего цикл, напоми-
нающий работу пульсирующего фонтана, повторяется.
Неисключенная систематическая относительная погрешность вос-
произведения частоты для МЦР «Фонтан» на конец 2011 г. составила
5- 10-16.
68
Рис. 2.4. Конструкция «оптической трясины»
Квантовые стандарты активного типа (генераторы). Среди
квантовых стандартов активного типа наиболее важным является
водородный квантовый генератор, устройство которого схематично
изображено на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема водородного квантового генератора:
1 — источника атомов водорода; 2 — многополюсный магнит;
3 — объёмный резонатор; 4 — кварцевая колба
В водородном генераторе пучок атомов водорода выходит из источ-
ника 1, в котором при низком давлении под влиянием электрического
разряда молекулы водорода расщепляются на атомы. Размеры ка-
налов, через которые атомы вылетают из источника / в вакуумную
камеру, меньше, чем средняя длина пролёта атомов между их столкно-
вениями, поэтому атомы водорода вылетают из источника в виде почти
не расходящегося пучка. Далее пучок проходит между полюсными
наконечниками многополюсного магнита 2, поле которого фокусиру-
ет вблизи оси пучка атомы, находящиеся в возбуждённом состоянии,
и разбрасывает в стороны атомы, находящиеся в основном (невозбуж-
дённом) состоянии.
69
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
Возбуждённые атомы пролетают через небольшое отверстие в квар-
цевую колбу 4, расположенную внутри объёмного резонатора 3, на-
строенного на частоту, соответствующую переходу атомов водорода
из возбуждённого состояния в основное. Под действием электромаг-
нитного поля атомы водорода, переходя в основное состояние, излуча-
ют фотоны, которые в течение сравнительно большого времени, опре-
деляемого добротностью резонатора, остаются внутри него, вызывая
вынужденное излучение таких же фотонов атомами водорода, влетаю-
щими позже. Иными словами, в резонаторе существует положительная
обратная связь, необходимая для возникновения незатухающих коле-
баний, однако при этом необходимо, чтобы среднее время пребывания
атома в резонаторе составляло порядка 1 с. Для этого в резонатор по-
мещают кварцевую колбу 4, стенки которой покрыты изнутри тонким
слоем фторопласта. Возбуждённые атомы водорода могут удариться
о плёнку фторопласта более 10 ООО раз, не потеряв при этом свою из-
быточную энергию. В результате в колбе скапливается значительное
число возбуждённых атомов водорода, достаточное для того, чтобы
условия самовозбуждения были выполнены и водородный генератор
стал источником электромагнитных колебаний с чрезвычайно стабиль-
ной частотой и узким спектром.
Следует отметить, что ширина спектра генерируемых колебаний
существенно зависит от размера кварцевой колбы. Действительно, ха-
отичное движение атомов водорода внутри колбы должно было бы
привести к расширению спектральной линии вследствие эффекта До-
плера. Избежать расширения спектра удаётся при условии, что дли-
на пробега атомов меньше длины волны X = 0,21 м, поэтому размер
кварцевой колбы должен быть меньше этого значения. В этом слу-
чае спектр генерируемого сигнала приобретает вид узкого пика, воз-
вышающегося над широким низким пьедесталом; в частности, в во-
дородном генераторе, генерирующем излучение с частотой порядка
1,42 ГГц, ширина спектральной линии составляет всего 1 Гц. Точное
значение этой частоты, измеренное при помощи цезиевого эталона,
равно (1 420405751,7860 ± 0,0046) Гц. Мощность электромагнитных
колебаний на выходе водородного генератора имеет порядок 10-12 Вт,
ГОССТАНДАРТ РОССИИ
ГЛАВНЫЙ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ
ЦЕНТР
ГОСУДАРСТВЕННОЙ
СЛУЖБЫ
ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГМЦ ГСБЧ
Рис. 2.6. Государственный первичный эталон единиц времени, частоты
и национальной шкалы времени ГЭТ 1-98
70
поэтому аппаратура водородного стандарта частоты включает в себя
высокочувствительный приёмник.
Российский государственный первичный эталон единиц времени,
частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1 -98 обеспечивает хра-
нение и воспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой
к 1 • 10-14. Эталон (рис. 2.6), включающий в себя цезиевый репер
и водородный генератор, находится во Всероссийском научно-иссле-
довательском институте физико-технических и радиотехнических из-
мерений (ВНИИФТРИ, г. Зеленоград) и входит в число наиболее
точных национальных эталонов, на базе которых формируется обще-
мировая шкала времени.
2.1.3. Календарь
Полное обозначение заданных моментов времени с помощью рас-
смотренных систем отсчёта не всегда удобно, поэтому на практике ис-
пользуют систему отсчёта, называемую юлианским периодом. Удоб-
ство данной системы состоит в том, что отсчёт времени ведётся в днях
(средних солнечных сутках с десятичными долями).
Счёт дней, называемых юлианскими днями (JD), ведётся от полу-
дня 1 января 4713 г. до н. э. (начало юлианского периода) до заданного
момента времени. Иногда для удобства начало отсчёта юлианских дней
смещают на 2 400 000,5 JD. При этом началом модифицированного
юлианского периода, дни которого обозначают M.JD, служит полночь
17 ноября 1958 г. С наступлением третьего тысячелетия н. э. была
введена ещё одна модификация юлианского периода, началу отсчёта
которой соответствует полдень 1 января 2000 г. (2451 545 JD), обо-
значаемая J2000.
С учётом того, что юлианское столетие включает в себя 36 525 дней,
для расчёта связи между юлианским календарём и всемирным време-
нем в период с марта 1900 г. по февраль 2100 г. можно использовать
следующую зависимость:
JD = [365,25//] + [30,6001 • (m + 1)J + d + + 1 720981,5,
где [•••] — операция взятия целой части; d иТ — день и действительное
значение времени UT в часах; значения у и m вычисляют, исходя
из целочисленных значений года Y и месяца М, следующим образом:
еслиЛ4^2, то у = Y — 1, т = Л4+12;
если М>2, то у = Y, m = М.
Обратное преобразование осуществляется поэтапно. На первом
шаге вычисляют вспомогательные величины:
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени
а = [JD + 0,5];
b = а + 1537;
Ь — 122,1
365,25
d = [365,25 с|;
b — d
30,6001
71
Затем определяют параметры дня по следующим формулам:
D=b—d— [30,6001 е\ + {JD + 0,5};
М = е — 1 - 12-
2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
У = с —4715 —
7 + М
10
где {...} —операция выделения дробной части аргумента. В качестве
дополнительного результата может быть также рассчитан день недели:
N = [JD + 0,5J mod 7.
Здесь [JD + 0,5} mod 7 — остаток от деления [JD + 0,5} на 7; N мо-
жет принимать значения 0 для понедельника, 1 для вторника и т.д.,
но менее 7.
Для системы GPS также имеет значение вычисление номера недели
относительно полночи 6 января 1980 г., когда начался отсчёт в шкале
времени GPS. Для расчёта номера недели можно использовать сле-
дующую формулу:
W =
где JDTeK — текущий день; JDH0 — день начала отсчёта (2 444 244,5 JD).
Используя данную формулу, получаем, что 1 января 2000 г (J2000)
пришлось на субботу 1042-й недели GPS.
2.2. Системы координат,
применяемые в ГНСС
Движение НКА, рассматриваемое в рамках классической механи-
ки, происходит под действием сил инерции и гравитационных полей
небесных тел, в основном Земли, Солнца и Луны. Доминирующим при
этом является гравитационное поле Земли, поэтому движение НКА
естественно описывать в системах координат, центр которых совпа-
дает с центром масс Земли, т. е. геоцентрических системах. Среди
таких систем классической является инерциальная геоцентрическая
декартова система [10]. Напомним, что инерциальной называется си-
стема, в которой выполняются законы Ньютона, т. е. при отсутствии
воздействия внешних сил тело находится в состоянии покоя или рав-
номерного прямолинейного движения. Поскольку Земля совершает
круговое движение вокруг Солнца, любая геоцентрическая система,
строго говоря, не является инерциальной, но может считаться тако-
вой на интервалах времени, существенно меньших периода обращения
Земли вокруг Солнца, т. е. астрономического года.
Ось Охо геоцентрической инерциальной системы Ox^qZq лежит
в плоскости экватора и направлена в точку небесной сферы, называе-
мую точкой весеннего равноденствия, точкой Весны или точкой
Овна (обозначается знаком созвездия Овна Т). Ось Ozq направлена
вдоль оси вращения Земли в сторону Северного полюса, а ось Оуо
дополняет систему координат до правой (рис. 2.7, а).
Для потребителя более удобным является описание движения НКА
в геоцентрической подвижной {неинерциальной) декартовой си-
стеме координат Oxyz, учитывающей суточное вращение Земли и на-
зываемой Гринвичской (в литературе такую систему также называют
связанной геоцентрической). Центр этой системы также совпадает
с центром масс Земли, ось Oz совпадает с осью Ozq, т. е. направлена
к среднему Северному полюсу, ось Ох лежит в плоскости среднего
экватора и проходит через Гринвичский меридиан, а ось Оу допол-
няет систему координат до правой (см. рис. 2.7, а). Плоскость Oxyz
2.2. Системы координат, применяемые в ГНСС
73
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных навигационных спутниковых систем
Рис. 2.7. Геоцентрическая инерциальная и Гринвичская системы координат (а) и гео-
дезическая система координат (б):
П — потребитель
определяет на поверхности Земли линию сечения, от которой отсчиты-
вается долгота. В процессе суточного вращения Земли ось Ох перио-
дически проходит через точку Т, т. е. совпадает с осью Oxq. Интервал
между двумя такими последовательными моментами соответствует од-
ним звёздным суткам. Текущее значение угла между осями Oxq и Ох
(соответственно и осями Оу^ и Оу) определяет Гринвичское звёздное
время и рассчитывается с учётом звёздной даты и времени на Грин-
вичском меридиане.
Информация о движении НКА в геоцентрической подвижной
системе координат формируется в центре управления системы, пе-
редаётся в составе НС потребителю и используется последним для
расчёта собственных координат в этой же системе. Однако для по-
давляющего большинства потребителей интерес представляет их по-
ложение не относительно центра Земли, а относительно её поверх-
ности. Для этого используется геодезическая система координат
(рис. 2.7, б).
Геодезические координаты — широта, долгота и высота — опре-
деляют положение точки относительно земной поверхности. Вообще
говоря, поверхность формы Земли описывается достаточно сложной
фигурой, называемой геоидом. Простейшая математическая модель
геоида — эллипсоид, большая полуось а которого лежит в эквато-
риальной плоскости и проходит через нулевой меридиан. В рамках
этой модели геодезическая широта точки П—величина угла В
между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью эквато-
ра (см. рис. 2.7, б). Геодезическая долгота точки П —величина
угла L между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью ме-
ридиана, проходящего через точку П. Положительное направление
отсчёта долгот —от нулевого меридиана на восток. Геодезическая
высота Н — расстояние по нормали от точки П до поверхности эл-
липсоида.
Прямоугольные геоцентрические координаты {х, у, z}, вычислен-
ные в ходе навигационных определений, связаны с геодезическими
74
координатами {В, L, И} следующими соотношениями:
х = (N + И) cos В cos L; у = (N + Я) cos В sin L;
z = [(1 — e2)N + И] sin В,
где N — кривизна поверхности в точке местной вертикали,
N = ах/1 — е2 sin2 ~В\
е — эксцентриситет эллипсоида.
а — параметр сжатия эллипсоида, а = 1 — Ъ/а\а,Ь — полуоси эллипсо-
ида (для всех используемых моделей Земли параметр а соответствует
величине разности а — b % 20 км).
Параметры эллипсоида (в общем случае геоида) определяются
выбранной моделью Земли. Примером глобальной системы являет-
ся Международная земная система координат (International
Terrestrial Reference System — ITRS), разработанная МСВЗ и при-
нятая Международным астрономическим союзом в 1991 г. в качестве
стандартной земной системы координат. Система вращается вместе
с Землёй (не является инерциальной).
Комплекс договорённостей и принципов, положенных в основу
ITRS, реализуются с помощью Международной земной систе-
мы отсчёта (International Terrestrial Reference Frame — ITRF).
В системе ITRF для более чем 800 опорных точек, жёстко связан-
ных с корой Земли, приводятся прямоугольные координаты (х, у, z)
а также составляющие о(%), v(y), v(z) скорости их перемещений, обу-
словленных тектоническим движением плит земной коры.
К опорным точкам предъявляются следующие требования:
1) точка должна располагаться на значительном расстоянии от гра-
ниц тектонических плит и от границ разломов плит;
2) наблюдения в точке должны проводиться непрерывно в течение
трёх лет;
3) ошибка вычисления скорости точки не должна превышать 3 мм/г.
Система, в том числе перечень опорных точек, периодически об-
новляется, при этом цифровое обозначение системы указывает на по-
следний год обновления (с октября 2009 г. по настоящее время дей-
ствует система ITRF2008).
В системе ГЛОНАСС данная система определена как «Парамет-
ры Земли 1990 года» (ПЗ-90.11), в системе GPS—World Geodetic
System 1984 г. (WGS-84), которая после последних улучшений прак-
тически совпадает с ITRF2005. Кроме того, для системы Galileo раз-
работана система координат Galileo terrestrial reference frame (GTRF),
также практически идентичная ITRF2005. Подробные параметры дан-
ных систем рассматриваются в разделах, посвящённых соответствую-
щим ГНСС.
2.2. Системы координат, применяемые в ГНСС
'лава 3
МЕТОДЫ НАВИГАЦИОННО-
ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМАХ
3.1. Методы НВО, основанные на измерении
задержки сигнала
3.1.1. Дальномерный метод
Как уже отмечалось выше, методы НВО, базирующиеся на измере-
нии задержки сигнала на трассе распространения от ОРНТ до потре-
бителя, относятся к классу дальномерных, поскольку определяемым
НП в этом случае является дальность ОРНТ — АП. Существенно, что
возможны разные методы определения указанного НП по результатам
различных измерений — временного положения огибающей импульс-
ного сигнала, фазы несущей частоты сигнала, а также совместной
обработки измерений указанных РНП. При этом необходимо иметь
в виду, что при дальностях, превышающих длину волны несущей, фа-
зовые измерения являются неоднозначными, что связано с цикличе-
ским характером изменения фазы во времени. Проблема разрешения
(устранения) неоднозначности фазовых измерений и другие особенно-
сти применения фазовых методов в ГНСС будут рассмотрены в под-
разд. 8.4.2. В данном разделе дальномерные методы НВО описаны
безотносительно к тому, на основании измерения какого РНП опре-
делён требуемый НП: дальность ОРНТ — АП.
Используемые в ГНСС методы НВО, базирующиеся на измере-
нии задержки сигнала при распространении от ОРНТ до потреби-
теля, во многом аналогичны дальномерным методам, применяемым
в РНС наземного базирования (см. разд. 1.3). Основное отличие
состоит в том, что требования по точности позиционирования, предъ-
являемые к ГНСС, не могут быть обеспечены без синхронизации
шкалы времени потребителя (ШВП), формируемой внутренним
опорным генератором (ОГ) АП, с системной шкалой времени
(СШВ) ГНСС, что предъявляет дополнительные условия к мето-
дам НВО (см. ниже). На практике синхронизация ШВП с СШВ
осуществляется путём передачи потребителю в составе НС отсчё-
3.1. Методы НВО, основанные на измерении задержки сигнала
77
тов бортовой шкалой времени (БШВ), формируемой бортовым
синхронизирующим устройством (БСУ) НКА, и поправки БШВ
относительно СШВ.
Стандартная навигационная задача решается в АП ГНСС в трёх-
мерном пространстве в следующей постановке. Будем полагать, что
в АП получены значения дальностей до нескольких НКА ...
...,Rt,...,Rn, где i — индекс НКА, i = 1 ... п, п — общее число наблю-
даемых НКА (размер рабочего созвездия).
Поверхность положения для каждого /-го НКА в трёхмерном про-
странстве представляет собой сферу радиуса /?,, центр которой распо-
ложен в центре масс НКА (рис. 3.1). Уравнение этой сферы имеет вид
Глава 3. Методы навигационно-временных определений
Рис. 3.1. Поверхности положения
для дальномерного метода
неоднозначности
Я/ = V (%HKAi — х^2 + (^НКА/ — У)2 + (2НКа, — z)2. (3.1)
Здесь Хнка,, //нка,, zhka, — передаваемые потребителю в составе НС
(подробнее см. гл. 6) координаты /-го НКА, относящиеся к некоторо-
му моменту времени х, у, z — от-
носящиеся к тому же моменту
координаты потребителя, которые
\ необходимо определить.
И Таким образом, для дально-
/ мерного метода навигационная
функция представляет собой си-
стему из квадратных уравнений
вида (3.1). Минимальное чис-
ло таких уравнений, необходимое
для трёхмерных измерений, равно
трём. Ввиду нелинейности указан-
ных уравнений возникает проблема
координат, устраняемая с помощью
имеющейся дополнительной информации (априорные координаты по-
требителя, его радиальная скорость и т.д.) либо путём увеличения
размерности системы уравнений, т. е. за счёт измерений по дополни-
тельным НКА.
Принципиально важным с точки зрения практического использова-
ния дальномерного метода является следующее. Как уже говорилось,
уравнение (3.1) предполагает, что все входящие в это выражение вели-
чины относятся к одному и тому же моменту времени /о- В реальности
момент наступления любого события, происходящего на борту НКА
(например, начало излучения сигнала), может быть определён только
относительно БШВ. При этом потребитель фиксирует момент приёма
этого сигнала в ШВП. Если БШВ и ШВП идеально синхронизиро-
ваны, то не возникает проблем, однако для этого необходимо иметь
в АП высокостабильный эталон времени (частоты) и периодически
проводить его калибровку по БШВ НКА или СШВ, что технически
сложно и экономически не оправдано. При наличии смещения ШВП
78
относительно БШВ
6/ = /бшв ~ Анвп
измеренная потребителем величина тп задержки сигнала на трассе
распространения НКА-АП будет отличаться от истинной задержки т
на величину 6/, поэтому величина тп фактически является псевдо-
задержкой. (Более строгое определение понятия «псевдозадержка»
см. [12].) Соответственно рассчитанная на основании измеренного по-
требителем значения тп дальность до z-ro НКА /?/ = стп отличается
от истинной на величину 6г = с5/, т. е. представляет собой псевдо-
дальность:
S = у/ (-^нка, — х)2 + (z/HKA, — Z/)2 + (2НКА, — ^)2 + сЫ, (3.2)
где с — скорость света.
Координаты потребителя х, у, z в этом случае также определя-
ются с погрешностью, значение которой с учётом реальных значений
смещения шкал 5/ может достигать десятков и сотен метров. Поэтому
дальномерный метод не находит применения в массовой АП, вместо
него используют псевдодальномерный метод, позволяющий в процессе
НВО определить и учесть величину 6/, либо разностно-дальномерный
метод, при котором навигационная функция не зависит от этой вели-
чины.
3.1.2. Псевдодальномерный метод
Рис. 3.2. Псевдодальномерные
измерения на плоскости
Поверхностью положения в псевдодальномерном методе по-преж-
нему является сфера с центром в точке центра масс НКА, но радиус
этой сферы отличается от истинной дальности R на неизвестную вели-
чину Аг = сЫ. Существенно, что, поскольку БШВ всех НКА синхро-
низированы с высокой точностью, величина 6г считается одинаковой
для всех НКА (рис. 3.2).
Измерение псевдодальностей до трёх НКА позволяет составить си-
стему только из трёх уравнений вида (3.2), содержащих четыре неиз-
вестных — координаты потребите-
ля х, у, z и величину 5г. Для устра-
нения возникшей неопределённости
необходимо измерить псевдодаль-
ность ещё до одного (четвёртого)
спутника. Полученная таким об-
разом система четырёх уравнений
имеет однозначное решение, и, сле-
довательно, местоположение по-
требителя при измерениях псевдо-
дальностей определяется как точка
пересечения четырёх поверхностей
положения. Именно необходимость обеспечить в любой точке Земли
возможность одновременного наблюдения как минимум четырёх НКА
3.1. Методы НВО, основанные на измерении задержки сигнала
79
Глава 3. Методы навигационно-временных определений
была решающим аргументом при выборе структуры и параметров ор-
битальной группировки ГНСС.
Необходимо обратить внимание, что положенное в основу псев-
додальномерного метода допущение о том. что БШВ всех НКА син-
хронизированы с высокой точностью, справедливо только для каждой
из ГНСС —ГЛОНАСС и GPS—по отдельности. Если же в рабочее
созвездие включены НКА обеих ГНСС, то, поскольку их БШВ в на-
стоящее время не синхронизированы, система уравнений, которую
необходимо решить для НВО, содержит не четыре, а пять неиз-
вестных — три псевдодальности и две величины смещения шкал —
Бгглонасс и Stgps- Соответственно возрастает необходимое число
независимых измерений.
Псевдодальномерный метод не накладывает жёстких ограничений
на величину сдвига ШВП относительно БШВ, поскольку позволяет
одновременно с определением местоположения вычислять эту вели-
чину и при необходимости скорректировать ШВП.
3.1.3. Разностно-дальномерный метод
Метод основан на измерении разности дальностей от потребителя
до нескольких НКА. Применять его целесообразно только при нали-
чии в дальномерных измерениях неизвестных сдвигов 5г, т. е. в слу-
чаях, когда эти измерения представляют собой псевдодальность. Ве-
личина 5г, как и в псевдодальномерном методе, считается одинаковой
для всех НКА и постоянной за время навигационных определений
Очевидно, что при этом допущении измеряемый НП —разность псев-
додальностей до двух НКА Sjj = Sj — S, — равен разности истинных
дальностей и не зависит от величины смещения 6г. Для трёхмерных
измерений разностно-дальномерным методом необходимо решить си-
стему из трёх независимых уравнений относительно величин разностей
дальности Sij до четырёх НКА.
Поверхности положения в разностно-дальномерном методе опре-
деляются из условия Sij = const и представляют собой поверхности
двухполостного гиперболоида вращения, фокусами которого являются
координаты ОРНТ i и / (центров масс /-го и /-го НКА). Расстояние
между этими ОРНТ называют базой измерительной системы. Если
расстояния от опорных точек (НКА) до потребителя велики по сравне-
нию с размерами базы, то гиперболоид вращения в окрестности точки
потребителя практически совпадает со своей асимптотой — конусом,
вершина которого находится в середине базы.
В литературе показано, что разностно-дальномерный и псевдо-
дальномерный методы при одномоментных измерениях обеспечивают
одинаковую точность определения координат потребителя [10]. Недо-
статком разностно-дальномерного метода является то, что при его
использовании нельзя получить в явном виде оценку смещения 6г,
следовательно, невозможна корректировка ШВП.
3.2. Методы, основанные на измерении
доплеровского сдвига
В разделе 1.3 были описаны дифференциальный и интегральный
методы определения координат потребителя, основанные на измерении
доплеровского сдвига несущей частоты сигнала НКА. Было отмече-
но, что основным недостатком обоих методов является необходимость
наблюдения НКА в течение интервала времени, за которое радиаль-
ная составляющая скорости движения НКА относительно потребите-
ля изменится заметным образом. В ГНСС этот недостаток особенно
ощутим, поскольку из-за большой высоты орбиты НКА градиент ра-
диальной скорости на поверхности Земли мал, соответственно время,
необходимое для достоверной оценки приращения доплеровского сдви-
га, оказывается неприемлемо большим. Поэтому в ГНСС доплеровские
методы применяются только для определения составляющих скорости
потребителя, а для получения информации о координатах {х, у, z} ис-
пользуется один из описанных выше вариантов дальномерных методов.
3.2.1. Радиально-скоростной метод
Метод основан на измерении трёх радиальных скоростей vri = R,
перемещения потребителя относительно трёх НКА. Физической ос-
новой этого метода является зависимость радиальной скорости точки
относительно НКА от координат и вектора скорости НКА. Дифферен-
цируя уравнение (3.1) по времени, получаем
_ (*НКА, -Х)(ХНКА; -х) + (j/HKA, ~//)(#НКА, ~Z/) + (ZHKA, ~z)(-?HKA, ~z) (3
Ri
Здесь компоненты (хНка, — х), (z/hka, — У), (гнкл, — z) характеризуют
вектор относительной скорости; Д, — дальность до z-ro НКА.
Из соотношения (3.3) следует, что для определения вектора ско-
рости потребителя необходимо для трёх НКА (z = 1,2, 3) знать:
• компоненты вектора координат НКА {хНка,< z/hka,, .?нка,};
• компоненты вектора их скорости {%нка, , z/hka,, ^нка, };
• координаты потребителя {х, у, z}.
3.2. Методы, основанные на измерении доплеровского сдвига
81
Глава 3. Методы навигационно-временных определений
Координаты НКА и их производные известны из эфемеридной ин-
формации. Для получения информации о координатах х. у, z, как было
сказано, используется один из описанных выше вариантов дальномер-
ных методов, чаще всего псевдодальномерный.
Важно отметить, что радиально-скоростной метод, так же как
и дальномерный, предполагает наличие в АП высокостабильного ОГ,
поскольку любая нестабильность частоты этого генератора приводит
к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты,
а следовательно, к дополнительным ошибкам измерения составляю-
щих скорости потребителя. Поэтому на практике применяются моди-
фикации этого метода, описанные ниже.
3.2.2. Псевдорадиально-скоростной метод
Псевдорадиально-скоростной (псевдодоплеровский) метод позво-
ляет определять вектор скорости потребителя в присутствии неизвест-
ного смещения частоты сигнала, обусловленного, например, неста-
бильностью ОГ АП. При наличии такого смещения выражение для
радиальной скорости можно представить в виде двух слагаемых:
Si = Ri + 6rz =
_ (*HKA, - Х)(ХНКА, - х) + (j/HKA, ~ #)(//НКА, ~ #) + (^НКА, ~ Z)(ZHKA, ~ Z)
~Ri
+ 6rz, (3.4)
где 8rz — поправка к скорости, обусловленная сдвигом измеренной до-
плеровской частоты сигнала относительно истинной, 8rz = ХДАд.
Так же как и в псевдодальномерном методе, считается, что эта по-
правка на интервале измерения неизменна и одинакова для всех НКА.
Вектор скорости {х, у, z} и поправка 8rz определяются путём из-
мерения по четырём НКА и решения системы четырёх уравнений ви-
да (3.4), для чего необходимо знать дальности Rt и координаты {х, у, z}
потребителя. Как уже говорилось, эта информация может быть полу-
чена из псевдо дальномерных измерений (3.2).
3.2.3. Разностный радиально-скоростной метод
Подходы, лежащие в основе данного метода, полностью аналогич-
ны рассмотренным в подразд. 3.1.3. Предполагается, что неизвестное
смещение 8^ одинаково для всех НКА. При этом для трёхмерных из-
мерений необходимо определить радиальные скорости относительно
четырёх НКА и вычислить три независимые разности ДД-У = R, —Rj,
а затем решить относительно величин Д/?1у систему из трёх независи-
мых уравнений вида
A D _ (*НКА, - Х)(ХНКА; - х) + (i/HKAj ~ У)(#НКА, ~ У) + (^НКА, ~ Z)(ZHKA, ~ z)
Д^7 - Ri
(анка, - Х)(%НКА; - X) + (i/НКА/ - //)(Z/HKAy ~ У) + (ZHKA; ~ г)(^НКАу ~ Z)
Ri
82
Поскольку разности ДД/ не зависят от смещения б/-,., для их рас-
чёта могут использоваться и величины псевдорадиальной скорости
Так же как и для дальномерных методов, точность определения
составляющих вектора скорости в разностном радиально-скорост-
ном методе совпадает с точностью определения тех же составляющих
в псевдорадиально-скоростном методе.
Достоинством разностного радиально-скоростного метода явля-
ется его нечувствительность к нестабильностям эталонов и другим
неконтролируемым смещениям частоты, а недостатком — невозмож-
ность непосредственной оценки величины нестабильности ШВП.
Достоинства и недостатки методов решения навигационных задач
приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Достоинства и недостатки методов решения навигационных задач
Метод Достоинства Недостатки
Методы определения координат
Дальномерный Достаточно принимать радиосигналы от трёх НКА Необходимо обеспечить синхронизацию СШВ и ШВП. Невозможно оценить отклонение ШВП от СШВ
Псевдо- дальномерный Возможно оценить отклонение ШВП от СШВ Необходимо принимать радиосигналы четырёх НКА
Разностно- дальномерный Нечувствительность к нестабильности ШВП и другим неконтролируемым смещениям частоты Необходимо принимать радиосигналы четырёх НКА. Невозможно оценить отклонение ШВП от СШВ
Методы определения скорости
Радиально- скоростной Достаточно принимать радиосигналы от трёх НКА Необходимо обеспечить синхронизацию СШВ и ШВП
Псевдо- радиально - скоростной Возможно оценить скорость изменения отклонения ШВП от СШВ Необходимо принимать радиосигналы четырёх НКА
Разностно- радиально- скоростной Нечувствительность к нестабильности ШВП и другим неконтролируемым смещениям частоты Необходимо принимать радиосигналы четырёх НКА. Невозможно оценить скорость изменения отклонения ШВП от СШВ
3.2. Методы, основанные на измерении доплеровского сдвига
3.3. Другие методы НВО в ГНСС
Глава 3. Методы навигационно-временных определений
Рассмотренные выше методы получения оценок ВС потребителя
на основе одномоментных измерений соответствующих РНП ориен-
тированы прежде всего на НВО высокодинамичных объектов. Услови-
ем их применения является возможность одновременного наблюдения
необходимого числа НКА (в большинстве случаев не менее четырёх).
Однако в определённых ситуациях возникает необходимость НВО при
ограниченном (менее четырёх НКА) составе рабочего созвездия, при
этом перемещение потребителя за время измерения допустимо считать
пренебрежимо малым. В таких случаях возможна замена одновремен-
ных измерений по четырём НКА на два последовательных измерения
по двум НКА или на четыре последовательных измерения по одному
НКА, которые затем с учётом высокой стабильности БСУ могут быть
приведены к одному моменту времени.
Ещё один аспект расширения возможностей и повышения качества
НВО связан с использованием имеющейся в распоряжении потреби-
теля информации, полученной от других источников. Так, при наличии
у потребителя измерителя высоты h можно вместо измерений четырёх
псевдодальностей ограничиться измерением трёх псевдодальностей,
при этом навигационная функция будет включать три уравнения ви-
да (3.1), а четвёртое уравнение составляется по результатам измерения
высотомера:
(/?з + /г)2 = х2 + у2 + г2,
где /?з — радиус Земли.
Комплексирование спутниковой радионавигационной аппаратуры
с датчиками информации, использующими другие физические принци-
пы, является одним из перспективных направлений развития средств
навигации. В настоящее время большое внимание уделяется нави-
84
рационной аппаратуре, построенной по принципу комплексирования
аппаратуры спутниковой и инерциальной навигации.
Как уже говорилось (см. гл. 1), до появления ГНСС наиболее со-
вершенными средствами навигации и определения пространственной
ориентации мобильных объектов самых различных классов — от са-
молётов до подводных лодок — являлись гироскопические и инерци-
альные навигационные системы (ИНС). Ряд несомненных достоинств
таких систем, в частности их автономность (независимость от ис-
кусственных полей, см. разд. 1.3), определяет целесообразность их
дальнейшего развития и применения совместно с АП ГНСС. При
этом достигается не только резервирование источников информации,
но и, что не менее важно, комплексирование АП ГНСС и ИНС. Это
позволяет значительно уменьшить итоговую погрешность измерений,
поскольку физическая природа и корреляционные свойства погреш-
ностей для этих систем существенно отличаются.
Действительно, погрешности ИНС в основном связаны с внешними
магнитными и гравитационными возмущениями, механическими харак-
теристиками чувствительного элемента, потерями на трение и т. д. Как
следствие, высокочастотная составляющая этих погрешностей неве-
лика по сравнению с соответствующими погрешностями ГНСС. Од-
нако инфранизкочастотная составляющих погрешностей ИНС (дрейф)
с увеличением времени наблюдения нарастает, что обусловлено са-
мим принципом измерений, основанным на двукратном интегрировании
ускорения. Постоянная ошибка ускорения при этом преобразуется
в нарастающую ошибку скорости, что приводит к необходимости си-
стематической юстировки (переустановки) системы.
Погрешности НВО ГНСС, напротив, характеризуются относитель-
но более высоким уровнем высокочастотного шума, однако этот шум
имеет нулевое среднее, и эффект накопления низкочастотной состав-
ляющей погрешностей в АП ГНСС практически отсутствует.
Таким образом, совместная обработка результатов измерений ИНС
и АП ГНСС позволяет реализовать высокоточную «бездрейфовую»
систему навигации и пространственной ориентации объектов, в ко-
торой мгновенная погрешность почти полностью определяется ИНС,
а долговременная — АП ГНСС. Такая инерциально-спутниковая нави-
гационная система (И С НС) обладает рядом существенных достоинств
по сравнению с ИНС и ГНСС по отдельности: высокой точностью
определения координат, компонент вектора скорости, угловой ориен-
тации и угловой скорости; непрерывностью навигационных определе-
ний; повышенным темпом выдачи данных; повышенной надёжностью.
Отметим, что комплексирование ИНС с АП ГНСС позволяет су-
щественно снизить требования к долговременной погрешности ИНС,
следовательно, и её стоимость, которая в значительной степени опре-
деляется именно величиной дрейфа.
В зависимости от организации алгоритмов совместной фильтрации
измерений ИНС и ГНСС выделяют следующие схемы комплексирова-
3.3. Другие методы НВО в ГНСС
85
Глава 3. Методы навигационно-временных определений
ния [9]: глубокоинтегрированную (deep integrated), тесносвязан-
ную (tightly coupled), слабосвязанную (loosely coupled) и разомкну-
тую (uncoupled).
Наиболее простые в реализации схемы И С НС могут быть по-
лучены в рамках двухэтапных алгоритмов работы НАП (см. выше).
Простейшим среди них является вариант разомкнутой ИСНС, пред-
полагающий только коррекцию данных ИСНС оценками НП, сфор-
мированными в АП.
Несколько более сложным является вариант слабосвязанной систе-
мы, называемый также ИСНС с комплексированием на вторичном
уровне. В этом случае схема содержит комплексный фильтр, осуществ-
ляющий фильтрацию измерений ИНС совместно либо с сырыми изме-
рениям НАП, либо с оценками координат, полученными на выходе си-
стемы вторичной обработки НАП). За счет совместной фильтрации из-
мерений точность оценок повышается по сравнению с вариантом авто-
номной АП, помехоустойчивость системы остается неизменной. Именно
по такой схеме строится большинство современных ИСНС.
Отличительным признаком тесносвязанной схемы ИСНС являет-
ся наличие обратной связи, с помощью которой оценки компонент
ВС, сформированные в комплексном фильтре, подаются с его выхода
в блок первичной обработки для оптимизации ширины полос про-
пускания ССЗ, ССЧ и ССФ. Возможность управления указанными
параметрами позволяет повысить помехоустойчивость АП и ИСНС
в целом. В отечественной литературе принцип, реализованный в тесно
связанной системе, часто называют комплексированием на первич-
ном уровне, или комплексированием по выходам.
В отличие от всех перечисленных выше схем, являющихся по сути
полуэвристическими, глубокоинтегрированная схема является резуль-
татом решения следующей задачи оптимального синтеза. Пусть Xk —
относящийся к моменту tk вектор состояния, включающий коорди-
наты потребителя, составляющие его вектора скорости и ускорения,
углы ориентации и угловые скорости. Инерциальный датчик измеря-
ет часть из компонент вектора Xk (обычно составляющие векторов
ускорения и угловой скорости), другие компоненты измеряются с по-
мощью СРНС. Для простоты будем считать, что измерения обеих
систем синхронизированы, при этом измерения СРНС подвергнуты
аналого-цифровому преобразованию.
При заданной модели динамики изменения вектора Xk задача оп-
тимального синтеза комплексной системы фильтрации сводится к по-
иску наилучшей (например, по критерию минимума дисперсии ошибки
фильтрации) оценки вектора Xk. Решению этой задачи соответствует
схема оптимальной ИСНС, изображенная на рис. 3.3.
Из анализа рисунка следует, что собственно АП СРНС в этом
случае включает в себя только радиочастотный блок и АЦП, вся
дальнейшая обработка ведётся в интегрированной системе совмест-
но с измерениями ИНС.
86
Рис. 3.3. Оптимальная (глубокоинтегрированная) ИСНС
Если в схеме, изображенной на рис. 3.3, отключить выход ИНС,
то оставшаяся часть реализует одноэтапную обработку сигнала, опи-
санную выше. Иными словами, данная схема предусматривает ком-
плексную обработку измерений ИНС и АП СРНС с одноэтапной
обработкой, при этом в ней отсутствуют отдельные каналы СРНС
и ИНС, независимо формирующие оценки ВС потребителя. Именно
поэтому данная схема названа глубокоинтегрированной (в отечествен-
ной литературе ее иногда называют схемой с комплектированием
по входам). Характеристики точности и помехоустойчивости такой
схемы близки к потенциальным.
Достоинства и недостатки перечисленных схем ИСНС приведены
в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Основные особенности схем ИСНС
Тип ИСНС Основные особенности
Разомкнутый Ограниченность ошибок оценок координат и скорости, наличие информации об ориентации и угловой скорости, минимальные изменения в аппаратуре
Слабосвязанный Все перечисленные качества разомкнутой системы плюс возможность выставки и калибровки ИНС в полёте. Возможность использования в АП ГНСС оценок, полученных в ИНС, для сужения области поиска по задержке и частоте
Тесносвязанный Более высокая по сравнению со слабосвязанной ИСНС помехоустойчивость
Глубокоинтегри- рованный Точность и помехоустойчивость, близкие к оптимальным. Высокие вычислительные затраты, необходимость существенных изменений в схеме АП ГНСС
3.3. Другие методы НВО в ГНСС
Глава 4
НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ
4.1. Общие требования
к радиосигналам ГНСС
Одной из важнейших задач при проектировании ГНСС являет-
ся выбор навигационного радиосигнала, поскольку его параметры
во многом определяют построение бортовой полезной нагрузки НКА
и приёмного устройства АП, а также характеристики навигационной
системы в целом.
С учётом особенностей используемых в ГНСС методов НВО
(см. гл. 3) сигналы НКА прежде всего должны обеспечивать заданную
точность измерения их радионавигационных параметров — псевдо-
задержки тп, псевдодоплеровского сдвига частоты /-д, фазы ср (или
разности фаз Дер) относительно некоторого опорного генератора (ОГ).
Также важной является задача обеспечения разрешения сигналов,
т. е. возможности раздельного наблюдения и определения параметров
двух сигналов, различающихся между собой временем задержки или
доплеровской частотой.
Кроме точности и разрешающей способности навигационные сиг-
налы должны обеспечивать:
• заданную вероятность декодирования символов НС;
• максимальную концентрацию энергии сигнала в выделенной по-
лосе частот при уровне внеполосного излучения, не превышающем
заданный уровень;
• возможность разделения сигналов различных НКА в процессе их
совместной обработки;
• устойчивость к помехам, как организованным, так и естествен-
ным, в том числе к помехам, возникающим при многолучевом распро-
странении сигнала, а также внутрисистемным (структурным) помехам,
обусловленным сигналами других НКА;
4.1. Общие требования к радиосигналам ГНСС
89
Глава 4. Навигационные радиосигналы
• минимизацию аппаратурных затрат на построение приёмных уст-
ройств АП, а также возможность повышения качества НВО по мере
развития систем, в том числе за счёт развития элементной базы.
Перечисленные требования достаточно разнородны и отчасти, про-
тиворечивы, поэтому не существует единого подхода, в рамках которо-
го возможна корректная математическая формулировка задачи поиска
типа оптимального сигнала, удовлетворяющего им в совокупности. Та-
кой подход известен только применительно к требованиям обеспечения
точности измерения радионавигационных параметров и разрешающей
способности, которые, как было сказано, являются наиболее важны-
ми и во многом определяют выбор структуры навигационного радио-
сигнала. Этот подход базируется на понятии автокорреляционной
функции (АКФ), которую в литературе по радиолокации и радионави-
гации часто называют функцией неопределённости, или функцией
Вудворда [2, 12] (используют также названия «функция рассогласо-
вания» и «функция неоднозначности» и др.).
Применительно к интересующей нас задаче измерения задержки
и доплеровского сдвига частоты АКФ (времячастотная функция
рассогласования) имеет вид
р(Дта, ДЛд) = ±
Т
J - Дт3)е-у“^ dt
о
(4.1)
Здесь Е —энергия сигнала, принятого за время наблюдения Т, Е =
1 т
= — J dt ; S(Z), S*(t — Дт3) — комплексные амплитуды сиг-
2 о
налов, имеющих задержки, равные соответственно т3 и т3 + Дт3,
S(t) = A(t -т3) ехр{-/[сод/ + ср(/ -т3)]},
S*(t - Дт3) ехр(-/сод/) = S(t, Дт3, ДЕд) =
= A(t -т3- Дт3) ехр{-/[(сод + ДЕд)^ +ср(/ - т3 - Дт3)]}.
Очевидно, что с помощью преобразования Фурье АКФ (4.1) мо-
жет быть выражена через спектральные плотности П(/) и П(/ - ДЕд)
соответствующих сигналов:
р(Дт„ Д5ц) - ± J Я(ДО*(/ - ДО1)е-'"«' df
—ОС
Физический смысл понятия АКФ достаточно нагляден — она пред-
ставляет собой модуль нормированного напряжения на выходе устрой-
ства оптимальной (согласованной) обработки когерентного сигнала,
когда на его вход поступают колебания с параметрами т3 и Ед, отли-
чающиеся от ожидаемых (тех, на которые настроено это устройство).
90
В случае совпадения параметров сигнала с ожидаемыми, т. е. при
Дт3 = 0 и ДКд = О АКФ достигает своего максимального значения:
р(0,0) = 1. (4.2)
Ещё одно важное свойство АКФ состоит в том, что объём тела
неопределённости не зависит от вида сигнала:
4-ос Т
J J р2(Дт3, ДКд) dДт3 dДКд = 2тс. (4.3)
—ос О
Иными словами, при использовании различных видов модуляции
функция неопределённости может деформироваться, но условия (4.2)
и (4.3) остаются в силе, т. е. при сжатии АКФ по оси т3 она расширяет-
ся по оси Кд и наоборот. На практике считается, что наилучшей явля-
ется АКФ в виде узкого пика в начале координат, при этом остальной
объём тела неопределённости должен быть распределён по всей плос-
кости (т3, Кд) в виде тонкого слоя («пьедестала») либо в виде серии
пиков, амплитуда которых меньше, чем у главного пика (рис. 4.1). Оче-
видно, что при многопиковой структуре АКФ соответствующие оценки
параметров т3 и Кд являются неоднозначными.
4.1. Общие требования к радиосигналам ГНСС
Рис. 4.1. Желательная форма АКФ сигнала
Влияние формы АКФ на точность измерений и разрешающую спо-
собность анализируется более подробно далее.
4.2. Потенциальная точность измерения
(оценки) радионавигационных параметров
Глава 4. Навигационные радиосигналы
4.2.1. Потенциальная точность измерения (оценки) задержки
В статистической радиотехнике под потенциальной понимают
точность так называемой эффективной оценки, обеспечивающей ми-
нимальное среди всех возможных оценок значение дисперсии ошибки.
Показано [13, 14], что для принимаемого на фоне белого гауссов-
ского шума сигнала s(/), имеющего спектральную плотность Q(/),
дисперсия эффективной оценки задержки тЭф определяется формулой
Вудворда [14]
(4Л>
где q — отношение мощности сигнала Е к односторонней спектраль-
ной плотности белого гауссовского шума No, на фоне которого при-
нимается сигнал, q = E/No\ [3 — нормированный второй момент энер-
гетического спектра сигнала (среднеквадратическая ширина спектра
/ 1 +о°
сигнала), р = л — J (2k/)2|Q(/)|2df; Q(/) — спектральная плотность
у L о
т
сигнала, Q(/) = J s(Z)e-2K^ dt.
о
Можно показать, что значение коэффициента р равно второй про-
изводной АКФ сигнала в точке её максимума:
Р Р (Т)|дт=0
(4.5)
Таким образом, из формулы (4.4) следует, что дисперсия эффек-
тивной оценки тем меньше, чем больше отношение сигнал/шум q
и среднеквадратическая ширина спектра р (вторая производная АКФ
рм(т)|Дт=0)’ т-е- чем быстрее спадает АКФ при удалении от максимума.
Известно, что нормированный второй момент некоторой функ-
ции /(%), определённой на интервале (хь х%), максимален в том случае,
92
когда функция имеет следующий вид:
f(x) = 0,55(xi) + 0,56(х2),
где 5(х) - дельта-функция Дирака.
Применительно к рассматриваемой задаче это означает, что, ес-
ли спектр сигнала ограничен частотами Д, Л (А > Л). максимальное
значение величины р достигается в том случае, когда спектр сигнала
имеет вид
^(/) — 0,55(/min) + 0,56(/max),
т. е. состоит из двух гармонических составляющих одинаковой интен-
сивности, расположенных на границах спектра. Соответственно дис-
персия эффективной оценки задержки для такого сигнала будет наи-
меньшей относительно любых других сигналов.
Однако на практике такой «оптимальный» сигнал не применяется,
поскольку однозначные измерения задержки с его помощью возможны
только в интервале значений Дт = 1//тах, где измерения фазы одно-
значны. Поэтому соответствующую оптимальному сигналу величину
А Актах = 0,5(/тах - /тш) = 0,5Д/ используют только как потенциаль-
ную при оценке сигналов, применяемых на практике.
Среднеквадратическую ширину спектра любого другого сигнала
характеризует коэффициент формы
Д/ск Д/ск
[Д/сктах] Д/
(4.6)
Например, для сигнала, обладающего на интервале частот Д/ рав-
номерным спектром |Q(/)|2=1, величина Д/ск = % 0,ЗД/, соот-
ветственно Kt = 1/л/З % 0,58.
Таким образом, по сравнению со спектром оптимальной формы
равномерный спектр имеет примерно вдвое меньшую среднеквадра-
тическую ширину
4.2.2. Потенциальная точность измерения доплеровской частоты
Из свойства симметрии преобразования Фурье следует, что по-
тенциальная точность оценки доплеровской частоты пропорциональна
второй производной АКФ (4.1) по указанному параметру. Введём обо-
значение
4.2. Потенциальная точность измерения (оценки) радионавигационных параметров
(4.7)
93
4. Навигационные радиосигналы
Очевидно, что по аналогии с формулой (4.5), коэффициент а2 (4.7)
имеет смысл среднеквадратической длительности сигнала. Соответ-
ственно формула для дисперсии эффективной оценки доплеровского
сдвига имеет вид
№«») = 2^2. (4-8)
т. е. потенциальная точность оценки тем выше, чем больше отношение
сигнал/шум и среднеквадратическая длительность сигнала. С учётом
аналогии между выражениями (4.5) и (4.8), а также отмеченного выше
свойства второго центрального момента ясно, что наименьшую дис-
персию оценки радиальной скорости обеспечивает сигнал в виде двух
коротких высокочастотных импульсов равной энергии с интервалом Т
между ними. Однако однозначные измерения доплеровской частоты
с помощью такого сигнала возможны только при условии Т < 1/Fflmax,
выполнить которое во многих радиотехнических системах, в частности
в ГНСС, не удаётся.
Среднеквадратическую длительность других сигналов характери-
зует коэффициент формы
ДДк _____ 2 Д^СК < 1
[Д^сктах] Т
4.3. Разрешающая способность
при одновременном наблюдении
нескольких сигналов
В реальных условиях на вход приёмника АП может поступать
не только прямой сигнал от НКА, но и сигналы, отражённые от пред-
метов и элементов рельефа, находящихся вблизи потребителя. По-
этому при выборе параметров навигационного радиосигнала наряду
с требованиями к точности измерений должна учитываться необ-
ходимость обеспечения разрешения, т. е. раздельного наблюдения
и определения параметров двух сигналов, различающихся между со-
бой временем задержки Дт3 = тц — тг или (и) доплеровской частотой
ДЛ = Лд,-5д2.
Обобщённой мерой отличия (сходства) двух одинаковых по форме
сигналов, различающихся значениями параметров (Дт3, ДАд), так же
как и при анализе потенциальной точности оценок, служит АКФ
р(Дт3, ДАд).
В качестве численных характеристик разрешающей способности
по задержке и доплеровской частоте обычно используют величины эф-
фективных интервалов корреляции.
Под эффективным интервалом корреляции по времени (постоян-
ной разрешения по времени) понимают величину
4-ос
Дтэф= J |р(т)|2б/т.
—ос
Значение Дтэф равно ширине прямоугольного эквивалента площа-
ди, ограниченной функцией р(т)2.
Аналогично разрешающая способность по скорости характеризу-
ется величиной эффективного интервала корреляции по частоте
+оо
4FW= j (4.9)
—ос
т. е. шириной прямоугольного эквивалента нормированной АКФ сиг-
нала по частоте.
4.3. Разрешающая способность при одновременном наблюдении нескольких сигналов
95
Связь между величиной эффективного интервала корреляции
по времени с формой спектра сигнала определяется формулой
—ос
1
Д/эф’
(4.Ю)
-ОС 1 2
У \s(h\2df
где Д/Эф — эффективная ширина спектра сигнала, Д/Эф = —----
Аналогично J \s(f)\4df
Глава 4. Навигационные радиосигналы
4dt = ^~,
‘ эф
(4.П)
2
А^Дэф ф£2 J
—оо
\ |s(£)|2d/
где 7Эф — эффективная длительность сигнала, Т^ф = -4-^-----.
_Г|5(/)|4Л
Из выражения (4.10) следует, что при заданной ширине спектра
наивысшей разрешающей способностью по задержке обладает сигнал
с равномерным спектром, для которого Д/Эф = Д/.
Аналогично из выражения (4.11) следует, что наивысшую разреша-
ющую способность по доплеровской частоте, равную Ду = обес-
печивает сигнал в виде синусоидального колебания с постоянной ам-
плитудой на интервале Т, поскольку эффективная длительность такого
сигнала ГЭф = Т.
С учётом постоянства объёма тела неопределённости (см. выше)
полученные формулы иллюстрируют известное положение о том, что
при использовании простых сигналов, для которых база В = Д fT я» 1,
невозможно одновременно обеспечить высокую точность и разреша-
ющую способность по задержке и доплеровской частоте. Решить эту
задачу можно только с помощью сигналов, база которых В = Д /7 » 1.
Сигналы, удовлетворяющие этому условию, называемые сложными
или широкополосными, получают путём соответствующей модуляции
несущей. Способы (законы) такой модуляции могут быть различными,
в том числе как детерминированными, так и случайными. В ГНСС
используют широкополосные сигналы, в которых модулирующими
функциями являются так называемые псевдослучайные последова-
тельности дискретных (двоичных) чисел. Такие последовательности
обладают периодичностью, причём период повторения является де-
терминированным, однако внутри этого периода порядок следования
нулей и единиц выглядит случайным (непредсказуемым). Модуляция
несущей такой псевдослучайной последовательностью (ПСП) позво-
ляет приблизить форму АКФ сигнала к АКФ белого шума, которая,
как известно, представляет собой 5-функцию на плоскости (т; /), что
соответствует бесконечно высокой точности и разрешающей спо-
собности (см. рис. 4.1). Виды ПСП, используемые в ГНСС, и их
особенности описаны ниже, схемы их формирования приведены в гл. 7.
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
4.4.1. Бинарная фазовая манипуляция
В ГНСС с момента создания и до недавнего времени исполь-
зовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной)
фазовой манипуляцией, в отечественной литературе обозначаемой
ФМ-2, в иностранной — BPSK (Binary Phase Shift Key). Такой сиг-
нал представляет собой синусоидальную несущую, начальная фаза
которой принимает значения 0 или л в зависимости от того, ка-
кой символ цифровой информации — 0 или 1 — необходимо передать.
Отметим, что символам «О» или «1», используемым в теории ин-
формации и цифровой технике, в радиотехнике обычно сопоставляют
значения —1 и +1 модулирующей функции. При такой трактовке
ФМ-2 сигнал s(t) представляет собой произведение немодулиро-
ванной несущей и сигнальной функции D(t — t0), принимающей зна-
чения [—1;+1] (рис. 4.2).
Полученные таким образом навигационные сигналы в зарубеж-
ной литературе получили название DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum — прямое расширение спектра).
В общем случае сигнал ГНСС можно записать в следующем ви-
де [9, 15]:
s(t) = AD(t - t0) cos(wH(^ -10) + cp0), (4-12)
где А — амплитуда сигнала; D(t — to) — модулирующая ПСП дально-
мерного кода; D(t - t0) = GHC(t - /о)Сд.к(/ - t0); GHC(t - to) — функ-
ция модуляции бинарным НС, принимающая значения [—1;+1];
Gn.K(t — to) — функция модуляции дальномерным кодом, также при-
нимающая значения [-1; +1]; сон — номинальная частота сигнала; <ро —
случайная начальная фаза; to — начало отсчёта.
В качестве ПСП дальномерных кодов в ГНСС используются
М-последовательности, а также полученные на их основе коды Голда
и Касами [15].
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
97
| Информационная последовательность D(t- tG)
1 0 0 1 0 1 1 0
> Модулирующая последовательность t
t
а Несущая U(t)=A cos(co0H <Ро)
Сигнал с ФМ-2 (BPSK) с модуляцией
Глава 4. Навигационные радиосигналы
Рис. 4.2. Принцип формирования ФМ-2 сигнала
Нормированный спектр мощности ФМ-2 сигналов (рис. 4.3) опи-
сывается формулой
s(/) = Tc5!^, 0.13)
где тс — длительность символа модулирующей последовательности.
Рис. 4.3. Типичный спектр ФМ-2 сигнала
При анализе точности измерений РНП, достижимой при исполь-
зовании того или иного вида модуляции, необходимо иметь в виду,
что в навигационном приёмнике форма и параметры спектра сигна-
ла snp(/), по которому измеряется его РНП, зависит не только от спек-
тра входного сигнала «(/), но и от частотного коэффициента
98
передачи Knp(f) (частотной характеристики) приёмного тракта
и определяется их произведением:
Snp(/)=S(/Kp(/).
При расчётах реальную частотную характеристику приёмника час-
то заменяют прямоугольной характеристикой, площадь которой рав-
на площади, ограниченной кривой Дпр(/). Ширина такой прямоуголь-
ной характеристики называется эквивалентной полосой пропускания
приёмника Д/прэ. Очевидно, что для измерения РНП в этом случае
используется только часть спектра входного сигнала, лежащая в пре-
делах эквивалентной полосы, соответственно ограничивается и сред-
неквадратическая ширина спектра. Зависимость коэффициента фор-
мы от эквивалентной полосы пропускания приёмника Д/пр.э для
сигнала с ФМ-2 модуляцией приведена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Зависимость коэффициента формы
от эквивалентной полосы пропускания приёмника
Д/пр.э для сигнала с ФМ-2 модуляцией
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
На рисунке видно, что при эквивалентной полосе пропускания при-
ёмника Д/пр.э « 1/т коэффициент формы сигнала ФМ-2 Кф =» 0,57, что
близко к значению для сигнала с равномерным спектром (см. выше).
Однако для величины Д/пр.э « 1/т, что соответствует ширине главного
лепестка спектра (4.13), коэффициент формы данного сигнала равен
0.25, что в 2 раза меньше, чем для сигнала с равномерным спектром,
и в 4 раза меньше, чем у «оптимального» сигнала.
Разновидностью ФМ-2 модуляции является так называемая от-
носительная фазовая манипуляция (ОФМ, в иностранной литературе
лфференциальная BPSK — DBPSK). Её отличие от обычной ОФМ
состоит в том, что для передачи используется не сам информаци-
онный символ, а факт смены его знака. Для правильной передачи
сигнала с помощью ОФМ в начале сообщения передаётся «холостой»
(стартовый) символ, значение которого для сигналов ГЛОНАСС равно
динице [16].
99
Глава 4. Навигационные радиосигналы
4.4.2. Меандровые шумоподобные (ВОС) сигналы
В настоящее время в спутниковой навигации начался переход
к новому классу модулирующих функций, получивших название ВОС
(Binary Offset Garner)-сигналов.
Принципиальное отличие ВОС-сигналов от рассмотренных выше
сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП
ВОС-сигнала представляет собой не прямоугольный видеоимпульс,
а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое по-
стоянное число периодов k. Поэтому сигналы с ВОС-модуляцией ча-
сто называют меандровыми шумоподобными сигналами.
За счёт меандровой модуляции спектр навигационного сигнала рас-
ширяется и при чётном числе периодов меандра в символе становится
бимодальным, отсюда ещё одно название ВОС-сигналов — сигналы
с расщеплённым спектром. За счёт расширения спектра основной пик
(пики) АКФ таких сигналов становятся уже, т. е. достигается более
высокая потенциальная точность измерения и разрешающая способ-
ность по задержке. Одновременно благодаря «расщеплению» спектра
уменьшается уровень взаимных помех при совместном функциониро-
вании навигационных систем, использующих традиционные и новые
сигналы.
Навигационный радиосигнал с модуляцией ВОС описывается сле-
дующим выражением:
ОД = АСнс(ОД.к(ООД cos(2k/oO, (4.14)
где А—амплитуда сигнала; Ghc(O — последовательность символов
навигационного сообщения; Сдк(/) — ПСП дальномерного кода;
/?(/) —меандровая последовательность, /?(/) = sign[sin(2r:/M/)];
sign(z)=
1,
О,
-1,
z > 0;
z = 0;
z < 0;
/м —частота меандрового колебания, Тм —период меанд-
рового колебания, Гм = 2тм; тм — длительность импульса меандрового
колебания; /о — несущая частота навигационного сигнала.
Последовательность символов ПСП дальномерного кода имеет вид
L-1
Ga.K(t) = X v* гесф - 6тс].
k=0
Здесь тс — длительность символа ПСП; L — количество символов в пе-
риоде ПСП; функция rect[• ] — импульс единичной амплитуды длитель-
ностью тс,
1, kxc < Z < (k + 1)тс,
0, kxc > t (k + 1)тс;
100
v — кодовые коэффициенты, образующие ПСП, принимают на каж-
дом интервале тс значения +1 или —1 согласно закону чередования
символов на её периоде. Длительность периода ПСП 7д = Лтс.
Свойства меандровых сигналов (ВОС-сигналов) определяются
двумя параметрами: /с = -— частотой следования символов ПСП
тс 1
дальномерного кода Одк(/) и /м = --частотой меандрового колеба-
ния /?(/). Соответственно для конкретного типа меандрового сигнала
используется обозначение ВОС(/М, /с). Поскольку на практике ча-
стоты [с и /м обычно кратны опорной синхрочастоте (в частности,
для систем GPS и Galileo fon = 1,023 МГц), тип меандровой мо-
дуляции сигналов иногда обозначают как ВОС(«, т), где п = /м//оп
т = /с//оп-
Вид информационного (меандрового) символа ВОС-сигнала при
•: = 1,2 и символа BPSK изображён на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Вид меандрового символа /?(/) при различных
значениях (п, т)
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
Величина Мм = тм/тс = 2/м//с, т. е. число импульсов меандра, укла-
дывающихся на длительности символа ПСП С?д к(£), называется коэф-
фициентом кратности. Например, для сигнала ВОС(1, 1) коэффи-
циент /Ум = 2. Показано [17], что формула для одиночной меандровой
ПСП дальномерного кода D(t) = Одк(/)бнс(0^(0 различна в зависи-
мости от того, является коэффициент кратности чётным или нечётным
числом:
{L-1
£ v*pc(t - kNMKM), NM - чётное;
(4.15)
£(-1)*Чрс(/ - WMTM), Мм - нечётное,
k=0
где [ic(0 — одиночный символ меандровой ПСП дальномерного кода,
Wm-1
Цс(О = s (-l)m rect(^ — mrM).
m=0
101
Глава 4. Навигационные радиосигналы
Модуляцию ВОС(1, 1) (частота следования сиволов дальномерно-
го кода /оп = 1,023 МГц, тактовая частота меандра /м = 2,046 МГц),
в частности, планируется использовать в перспективных сигналах
ГЛОНАСС открытого доступа с кодовым разделением диапазонов LA
и L2.
Ещё одной характеристикой ВОС-сигналов является начальная
фаза меандра относительно ПСП. По этому признаку различают си-
нусную и косинусную меандровую модуляцию. В первом случае ме-
андр описывается выражением /?(/) = sign[sin(2n/м/)] и обозначается
sin ВОС, во втором R(t) = sign[cos(2n/M()] и обозначается cos ВОС.
В частности, сигнал sin ВОС(2, 1) с частотой следования симво-
лов дальномерного кода fon = 2,5575 МГц (тактовая частота меандра
/м = 10.23 МГц) планируется использовать как сигнал санкциониро-
ванного доступа НКА «Глонасс-К».
Принцип формирования sin ВОС- и cos ВОС-модуляции на при-
мере сигнала ВОС(2, 1) иллюстрирует рис. 4.6.
Спектральные характеристики радиосигналов с меандровой ПСП
могут быть получены путём преобразования Фурье от одиночной по-
следовательности D(t). Опуская промежуточные выкладки, восполь-
зуемся результатами работы [17]:
NM — чётное;
Ам — нечётное.
Спектры сигналов ФМ-2 и ВОС(1, 1), формируемые от опорной
частоты /оп = 1,023 МГц, приведены на рис. 4.7, а. На рисунке вид-
но, что за счёт меандровой модуляции спектр навигационного сигнала
расширяется, а основной пик (пики) АКФ становятся уже, соответ-
ственно достигается более высокая потенциальная точность измере-
ния задержки. При больших индексах модуляции максимумы спектра
смещаются к краям полосы частот, т. е. сигнал приближается к «оп-
тимальному» (см. разд. 4.2.1) (рис. 4.7, б). Одновременно уменьша-
ется уровень взаимных помех при функционировании в общей полосе
частот навигационных систем, использующих традиционные и новые
сигналы.
Сравним потенциальную точность оценки задержки при использо-
вании сигналов с ФМ-2 и меандровой ВОС(т, п)-модуляцией, для че-
го рассчитаем величину среднеквадратической ширины спектра
Д/ск (4.11). Поскольку в реальном приёмном устройстве входной сиг-
нал фильтруется в радиочастотном тракте, имеющем эквивалентную
полосу пропускания Д/пр.э, при фиксированном значении /0 беско-
102
Рис. 4.6. Временные диаграммы для ПСП синусной (а) и косинусной (б) меандровых последовательностей и результирующих
ВОС(2, 1)-сигналов
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
Глава 4. Навигационные радиосигналы
б
Рис. 4.7. Энергетические спектры радионавигационных
сигналов при различных видах модуляции:
а-ФМ-2 и ВОС(1, 1); б-ВОС(12, 1)
нечные пределы интегрирования в выражении (4.11) можно заменить
на (/о ± Д/пр.э)/2. Тогда
/о + /пр.э/2
j f2m\2df
\ г2 /о—Д/пр.э/2
'ск “ /о+Д/Пр.,/2
J |Q(DPW
/о-А/пр.э/2
(4.16)
или с учётом замены переменной /нч — f ~ to, что соответствует пре-
образованию сигнала на нулевую промежуточную, (видео)частоту,
А /пр.э/2
У /Йч1^(/нч)|2^/нч
д т2 ____ ~Д/пр.э/2
^/ск- д/прэ/2
У |^(7нч)|2 dfm
— А/пр.э/2
(4.17)
104
где Q(/hm) — спектральная плотность мощности сигнала, преобразо-
ванного на нулевую промежуточную частоту.
Для оценки потенциальной точности оценки задержки с помощью
сигналов ФМ-2 и ВОС(1, 1) подставим в формулу (4.17) выраже-
ния для их спектров. Для сигнала ФМ-2, приняв /оп = /с = 1,023 МГц
и введя обозначение k = ^пр -, после несложных преобразований по-
^/оп
лучим
).Э
f2
k —
я2
— Si(2fen)
Я
где Si(x) — интегральный синус,
Д/фМ —
(4.18)
Si(r) = f dt=x- — + —_______________— +
J t ai X 3-3! + 5-5! 7-7!+‘"
0
Выполнив аналогичные вычисления для сигнала ВОС(1,1), найдём
з^4
ТГ2[(--?-1] Л---------Г—Г- <4-19)
я [ kn +S1(ftTC) 2 S1(2M
Соответственно потенциальный выигрыш в точности оценки за-
держки при использовании сигнала ВОС(1,1)
k kfl
я2
- Si(2*K)
В частности, при k = 4, т. е. когда используются главный и два бо-
ковых лепестка спектра, по формуле (4.20) находим
А/вое
^/фм
£=4
3 Si(2fe7t)
Si(^K) — — Si(2£ir)
= 6,32.
k=4
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
Если же принять k = 2, т. е. использовать только основой лепесток
ВОС(1, 1), то выигрыш будет немного больше — порядка 6,6. Анало-
гичным образом можно оценить точность измерения радиальной ско-
рости.
Наряду со спектральными характеристиками наглядной иллюстра-
цией различий между ФМ-2 и ВОС-сигналами могут служить их кор-
реляционные функции ®(т). Для сравнения рассмотрим корреляцион-
ные функции сигналов ФМ-2, ВОС(1, 1) и ВОС(2, 1).
105
Для ФМ корреляционная функция
символа имеет вид [18]
одиночного прямоугольного
вфм(т) = <
О,
^тс;
>тс,
где тс — длительность символа.
Для АКФ сигналов с ВО С-модуляцией в литературе [9] приведена
формула
Рвос = <
2 (_у2 + ^м + и)_М<_Ы(2^м_2ц+1)
7*м z
тс;
Тс,
Глава 4. Навигационные радиосигналы
Путем элементарных преобразований это выражение приводится
к виду
ефМ(т)=(-1)0+1(1--),
\ Тс /
(4.21)
откуда следует, что приведённая выше формула для АКФ сигнала
ФМ-2 является частным случаем формулы (4.21) при v = 1.
Рассчитанные с помощью формулы (4.21) нормированные АКФ
сигналов ФМ-2, ВОС(1, 1) и ВОС(2,1) изображены на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Нормированные корреляционные функции сигналов ФМ-2,
ВОС(1, 1) (а) и ФМ-2, ВОС(2, 1) (б)
Как видно на рис. 4.8, главный пик АКФ рвос(т) по сравнению
с Рфм(т) становится более острым, а сама функция приобретает более
сложный — многомодальный и знакопеременный — характер. При этом
АКФ сигнала ФМ-2 играет роль «огибающей» для АКФ ВОС-сиг-
налов.
Н
м
н
106
Таким образом, «платой» за выигрыш в точности измерения
задержки распространения сигнала при переходе от ФМ к В ОС-
сигналам является усложнение дискриминаторов схемы слежения
за задержкой, которые должны обеспечивать однозначное слежение
за основным пиком рвос(^) и сводить к минимуму вероятность захвата
ложных (боковых) пиков.
4.4.3. Комбинированные меандровые сигналы
Следующим шагом в развитии новых типов сигналов для ГНСС
стала разработка дальномерных кодов на основе более сложных
по сравнению с рассмотренными комбинированных (мультиплек-
сированных) меандровых ПСП. Общепринятая классификация таких
сигналов пока не выработана; обычно различают две группы [17]:
1) мультипликативные меандровые ПСП (multiplexed ВОС —
МВОС);
2) альтернативные меандровые ПСП (alternative ВОС —
AltBOC).
Рассмотрим основные особенности меандровых сигналов, относя-
щихся к указанным группам
Мультипликативные ВОС-сигналы. В настоящее время в за-
висимости от принципа формирования различают два типа МВОС-
сигналов:
1) мультиплексированные во времени (time-multiplexed ВОС —
ТМВОС);
2) составные (composite ВОС — СВОС).
Мультиплексированные во времени (ТМВОС) сигналы получают
за счёт использования на одном периоде ПСП нескольких различных
типов меандровых символов, последовательно сменяющих друг друга
во времени.
Составные меандровые сигналы (СВОС-сигналы) формируются
на основе составных меандровых символов рсвос(0- Такие симво-
лы представляют собой взвешенную сумму нескольких (обычно двух)
меандровых символов различных видов:
рсвос(0 = #1Р1(0 + «2^2(0’ (4.22)
где pi(Z), рг(О — меандровые символы соответствующих последова-
тельностей; tzi, «2 — весовые коэффициенты, удовлетворяющие нор-
мировочному соотношению а\ + = 1.
Примером СВОС может служить открытый навигационный сигнал
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
диапазона LA ГНСС Galileo. Данный сигнал получается взвешенным
суммированием ВОС(6,1) и ВОС(1,1) и обозначается СВОС^б,!,
(рис. 4.9). Коэффициенты а\ = \ «2 = Л/Тю т- е-
рсвос(0 =
107
Рис. 4.9. Вид символа сигнала
СВОС^б. 1. тс = 2тМ1 для ВОС(1. 1),
тс = 12тМ2 для ВОС(6, 1)
Глава 4. Навигационные радиосигналы
Сигнал содержит две ортогональные компоненты, одна из которых
несёт навигационную информацию, а другая является пилот-сигналом
(подробнее см. гл. 7). Энергетические спектры этих компонент одина-
ковы:
ЗД) = ЗД) = уу ^вос(1,1)(Л + у]- ^вос(б,1)(Л>
соответственно, спектр полного сигнала
s?cboc(/) = 4 ад/)+| ад/>.
Следует отметить, что основное достоинство мультипликативных
меандровых сигналов состоит в том, что доля мощности составля-
ющих, лежащих на краях их энергетического спектра, оказывается
больше, чем у обычных ВОС-сигналов. Это обстоятельство обеспе-
чивает улучшение характеристик приёмного устройства, в частности
при работе в условиях сильного влияния многолучёвости (подробнее
см. разд. 6.3). Однако какие-либо однозначные рекомендации о пред-
почтительности использования МВОС или ТМВОС в тех или иных
ситуациях в настоящее время отсутствуют.
Альтернативные ВОС-сигналы. Особенность формирования
AltBOC-меандровых сигналов заключается в использовании ком-
плексного /?к(/) = /?cos(0 + или комплексно-сопряжённого
/?*(/) = До5(0 -/^sin(0 меандрового колебания, где Rcos(t), /?sin(0 —
косинусное и синусное меандровые колебания, описанные выше.
Таким образом, комплексная ПСП дальномерного сигнала опре-
деляется следующими выражениями:
ад) = сиоснста)
или
£)*(/) = Сдк(/)Онс(0^к(0-
При формировании AltBOC-сигналов могут как применяться раз-
личные дальномерные ПСП Од.к(/), так и использоваться сумма ком-
108
плексной и комплексно-сопряжённой ПСП. Например, именно так за-
даётся модулирующая функция для AltBOC-сигнала системы Galileo:
^АквосСО = DK(t) + D* (/) =
= 6д.к1(06нс1(/Ш0 + Ga.K2(/)GHC2(0^K*(0. (4.23)
Как показано выше, для обычных ВОС-сигналов операция пере-
множения модулирующих функций навигационного сообщения Ghc(0>
дальномерного кода GAK(Z) и меандровой ПСП R(t) при чётном jVm
приводит к «расщеплению» спектра на две части, расположенные сим-
метрично выше и ниже несущей частоты. При формировании AltBOC-
сигналов с использованием комплексной ПСП спектр не расщепля-
ется, но происходит его смещение в область более высоких частот
и образуется только верхний лепесток. Если при формировании
AltBOC-сигнала используется комплексно-сопряжённая ПСП, то сме-
щение спектра происходит в область более низких частот и образуется
только нижний лепесток.
Указанное свойство AltBOC-сигналов (см. выражение (4.22)) поз-
воляет при использовании двух дальномерных ПСП в одном сигна-
ле передавать два различных навигационных сообщения, поскольку
верхний и нижний лепестки энергетического спектра будут содержать
различную информацию. При этом потребитель может принимать раз-
дельно каждую из компонент данного сигнала, а также обрабатывать
целиком весь сигнал. Подобная возможность является важным досто-
инством этого класса радиосигналов.
В заключение необходимо отметить, что меандровые сигналы (ВОС-
сигналы) по сравнению с традиционными обладают рядом достоинств
(точность, помехоустойчивость и т. д.), которые весьма важны в реаль-
ных условиях функционирования ГНСС.
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС
Глава 5
НАВИГАЦИОННАЯ АППАРАТУРА
ПОТРЕБИТЕЛЯ
5.1. Состав навигационной аппаратуры
потребителя и назначение
основных функциональных узлов
Навигационная АП предназначена для приёма сигналов от НКА,
измерения навигационных параметров, выделения НС (служебной
информации, в том числе эфемеридно-временной) и решения зада-
чи НВО. По измеренным относительно четырёх (или более) НКА
НП — псевдодальности и радиальной псевдоскорости — определяют-
ся компоненты ВС потребителя — три пространственные координаты
потребителя, три составляющие его скорости и поправки к ШВП
и частоте её опорного генератора. Укрупнённая структурная схема
АП приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Укрупнённая структурная схема АП
5.1. Состав навигационной аппаратуры потребителя и назначение основных функциональных узлов
Как следует из схемы, современная АП содержит следующие ос-
новные функциональные узлы.
111
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
1. Радиочастотный блок, обеспечивающий:
• приём сигналов НКА;
• их усиление и предварительную фильтрацию;
• аналого-цифровое преобразование сигналов на выходе приём-
ника;
• формирование опорных, синхронизирующих и других сигналов.
2. Процессор первичной обработки, решающий следующие ос-
новные задачи:
• оптимальную (согласованную) фильтрацию сигналов НКА,
обычно реализуемую с помощью многоканальной корреляционной
обработки;
• поиск и обнаружение сигналов НКА;
• слежение за сигналами и измерение их РНП;
• демодуляцию НС.
3. Навигационный процессор, обеспечивающий:
• декодирование НС;
• решение основной навигационно-временной задачи — опреде-
ление параметров ВС потребителя;
• управление режимами работы и параметрами, как собствен-
ными, так и других узлов АП;
• контроль качества НВО и работоспособности аппаратуры;
• выполнение различных сервисных функций, зависящих от на-
значения аппаратуры и режима её работы.
Кроме того, в состав АП могут входить вспомогательные устрой-
ства — интерфейсные, управления и индикации, питания и др.
Следует отметить, что приведённое выше разделение программно-
вычислительных средств АП на первичный и навигационный про-
цессор становится всё более данью традиции. Такое деление связано
с тем, что до недавнего времени функции первичной и вторичной обра-
ботки реализовывались с помощью практически автономных аппарат-
ных устройств. В настоящее время происходит переход к полностью
программным навигационным приёмникам, в которых все функции
первичного и навигационного процессоров реализуются в форме еди-
ного одноэтапного алгоритма (разд. 5.4).
Рассмотрим основные функции и принципы технической реализа-
ции перечисленных элементов АП.
5.2. Радиочастотный блок
5.2.1. Антенна
Антенна АП должна выполнять две основные функции:
1) приём сигналов НКА (в идеале —всех радиовидимых в точке
приёма);
2) режекцию помеховых сигналов, возникающих при многолучевом
распространении, а также помех от других источников.
Поскольку требования, предъявляемые к антенне с позиций наи-
лучшего решения указанных задач, противоречат друг другу, на прак-
тике используется следующий компромисс. Диаграмма направленно-
сти (ДН) антенны формируется исходя из того, что в рабочее созвездие
целесообразно включать НКА, наблюдаемые под углами места р 5°.
Меньшие углы места (так называемые углы маски) считаются нерабо-
чими, предполагается, что именно под этими углами находится боль-
шинство источников помех. При этом коэффициент усиления антенны
не должен зависеть от азимута — он должен оставаться постоянным
во всём диапазоне углов 0... 360°. Пример типичной формы ДН АП
в вертикальной плоскости приведён на рис. 5.2.
Чаще всего в АП используют простые в изготовлении и недо-
рогие микрополосковые антенны, обладающие минимальными массо-
габаритными параметрами. Такая антенна состоит из двух плоских
проводников, разделённых слоем диэлектрика. Нижний проводник за-
землён (соединён с «массой» АП), верхний является излучателем.
Антенна рассчитывается для работы на нижней резонансной моде,
которая излучается в основном в направлении вертикальной оси. Диа-
грамма направленности этой антенны обеспечивает в верхней полу-
сфере всенаправленный приём правой круговой поляризации.
Кроме микрополосковых в специальных видах АП нашли примене-
ние спиральные, кольцевые, щелевые и другие виды антенн, в частно-
5.2. Радиочастотный блок
113
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
180
Рис. 5.2. Сечение ДН АП в вертикальной
плоскости
О
д е
Рис. 5.3. Примеры конструкции антенн АП:
а — четырёхэлементная фазированная антенная решётка; б — антенна с низким уровнем боко-
вых лепестков для геодезической АП; в — микрополосковые антенны коммерческой АП; г —
антенны ГНСС для артиллерийских снарядов; д — спиральная антенна для армейской АП;
е — АП в армейском исполнении
114
сти фазированные антенные решётки. В последнем случае навигаци-
онный процессор осуществляет функцию управления положением ДИ
Примеры конструкций антенн АП приведены на рис. 5.3.
Обычно антенный модуль АП — интегрированное устройство, в ко-
торое кроме собственно антенны входят устройство защиты входа
(УЗВ), малошумящий входной усилитель (МШУ) и полосовой фильтр
(ПФ).
УЗВ — нелинейный элемент, предотвращающий воздействие
на последующие каскады сигналов с пиковой плотностью мощно-
сти 69 кВт/м2 и более в течение 10 мс или непрерывного сигнала
с плотностью мощности 348 Вт/м2. Потери сигнала в УЗВ не должны
превышать 1 дБ.
Коэффициент шума Кш МШУ не должен превышать 4 дБ (у совре-
менной аппаратуры обычно не более 2,5 дБ), коэффициент усиления
составляет 26.. .30 дБ, что практически исключает влияние шумов по-
следующих каскадов приёмника на его итоговую чувствительность.
Полосовой фильтр должен обеспечивать фильтрацию сигналов
в полосе порядка 60 МГц (относительно несущей) и подавление по-
мех и шумов, действующих вне указанной полосы. Допустимые потери
в ПФ не более 2 дБ, следовательно, общие потери в антенном модуле
не превышают 3 дБ.
5.2.2. Приёмное устройство
Приёмники АП строятся исключительно по супергетеродинной
схеме, обычно с двукратным преобразованием частоты. Первая про-
межуточная частота выбирается равной 100... 200 МГц, вторая —
10... 40 МГц. Полоса пропускания тракта усилителя промежуточной
частоты (УПЧ) выбирается с учётом полной ширины спектра сигна-
лов НКА одной или двух ГНСС. Например, для приёма сигналов НКА
ГЛОНАСС, занимающих полосу частот порядка 14 МГц (по первым
нулям спектра сигналов с литерами К = — 7 и К = +6) [16], выбирают
полосу не менее 15 МГц. Сигналы всех НКА ГЛОНАСС усиливают-
ся общим трактом (задача частотного разделения сигналов решается
не в приёмнике, а путём использования соответствующих опорных
частот при оптимальной фильтрации, см. ниже).
Оценим общий коэффициент усиления, который должен обес-
печивать приёмник АП. Известно [16], что стандартное значение
мощности навигационного сигнала на входе приёмника составляет
— 161 дБ Вт, спектральная плотность внутреннего шума приёмника при
Кш = -2,5 дБ составляет —201,5 дБВт/Гц, соответственно мощность
шума в полосе пропускания 15 МГц равна —131 дБ Вт, а отношение
сигнал/шум q = 101д(Рс/Дш) = -31 дБ. Таким образом, в широкопо-
лосном тракте приёмника полезный сигнал имеет мощность примерно
в 1000 раз меньше, чем мощность собственного шума. Именно эту
величину принимают за исходную при выборе коэффициента усиления
приёмника. При этом руководствуются следующими соображениями.
о
\О
>х
X
I-
о
I-
и
у
о
X
d
ni
in
115
Выходным устройством приёмника АП является аналого-циф-
ровой преобразователь (АЦП) (см. далее). Из курса статистиче-
ской радиотехники известно, что при бинарном квантовании гаус-
совского шума оптимальное значение порога квантования (в дан-
ном случае значение напряжения срабатывания младшего разряда
Цдцп) близко к величине среднеквадратического отклонения шума ош.
Стандартное значение [/дцп %0,1 ... 0,5 В; для конкретности примем
Цдцп = стш = 0.25 В. Полагая, что указанное напряжение приложено
к нагрузке /?н = 50 Ом, находим требуемую мощность шума на выходе
приёмника (входе АЦП):
Рш = ~ -31 дБ Вт.
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
Поскольку, как было сказано, входная мощность шума в полосе
приёмника составляет —131 дБ Вт, получаем, что необходимый коэф-
фициент усиления приёмника имеет порядок 100 дБ.
5.2.3. Аналого-цифровой преобразователь
Радиосигнал с выхода приёмника подвергается в АЦП не только
квантованию по уровню, но и дискретизации по времени. В соот-
ветствии с теоремой Котельникова для полосовых сигналов частота
дискретизации сигналов ГЛОНАСС /д должна составлять не менее
15 МГц. На практике /д обычно выбирают несколько большей —по-
рядка 40 МГц (это значение примерно соответствует минимальной
частоте дискретизации сигнала, модулированного P-кодом GPS).
Для квантования по уровню в стандартной АП обычно используют
одноуровневый (однобитный) или трёхуровневый (двухбитный) АЦП
В однобитном АЦП на выходе фиксируется лишь знак входного
радиосигнала:
^вых = sign(t/BX).
В двухбитном АЦП используются три пороговых уровня — нулевой
и расположенные симметрично относительно него уровни L и —L, ве-
личина которых, как уже говорилось, выбирается из условия |L| « ош.
Логику работы АЦП иллюстрирует рис. 5.4 [15].
Пороги Выходные
коды
----01
1___________т. ——
I / Аналоговый сигнал
V — 10
-L ---------
Рис. 5.4. Принцип двухбитного аналого-цифрового преобразования
116
5.2.4. Опорный генератор и синтезатор частот
Опорный генератор вырабатывает сигнал, задающий шкалу време-
ни АП. Из этого сигнала формируется сетка опорных частот, необхо-
димых для работы различных узлов АП. Требования к стабильности
ОТ в последние годы значительно ужесточились. Если в конце 1990-х
годов удовлетворительной считалась относительная нестабильность
частоты порядка 10-7, которая обеспечивается обычным кварцевым
генератором с несложной схемой термостабилизации, то в настоя-
щее время для ряда приложений (АП высокодинамичных объектов,
интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации и т. п.)
требуется кратковременная относительная нестабильность порядка
10“9 и ниже, что достигается применением генераторов со сложными
системами частотной и фазовой автоподстройки и, естественно, при-
водит к удорожанию аппаратуры. (Количественной характеристикой
кратковременной относительной нестабильности ОГ является диспер-
сия вторых приращений фазы; эта величина называется вариацией
Алана) [19].
Следует иметь в виду, что при детальном исследовании влияния
ОГ на правильную работу следящих систем АП приходится учиты-
вать не только относительную нестабильность частоты, но и более
детальную характеристику — спектральную плотность фазовых шу-
мов. Для современных стабилизированных ОГ эта величина при от-
стройке Д/ = 1 Гц составляет —50...-80 дБ/Гц; при Д/ = 10 Гц
-70...- 125 дБ/Гц; при Д/= 100 Гц -100...- 140 дБ/Гц [9].
Синтезатор частот на основе выбранного для данной АП частот-
ного плана формирует из сигнала ОГ сетку частот, используемых для
синхронизации и тактирования различных элементов программно-ап-
паратного комплекса АП. Поскольку эта сетка формируется путём
умножения и деления частоты генератора на целые числа (коэффици-
енты), необходимо учитывать происходящее при этом преобразование
фазовых шумов. При разработке частотного плана необходимо также
учитывать требования к подавлению комбинационных помех, внешних
помех, воздействующих по зеркальному и другим каналам, и другие
факторы.
5.2. Радиочастотный блок
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства
первичной обработки
навигационной информации
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
5.3.1. Оценка параметров ВС потребителя как задача
оптимальной фильтрации
С точки зрения современной теории оптимальной фильтрации ре-
шаемая с помощью АП задача оценки ВС потребителя рассматрива-
ется в следующей постановке [20].
Будем полагать, что информация, подлежащая обработке, пред-
ставляет собой выборку y(tk) из сигнала в различные моменты време-
ни tk на выходе приёмника (АЦП), которая может быть представлена
в виде
y(tk) = as{tk,y) + 6(4,р-),
где а — дискретный (индикаторный) параметр, ассоциируемый с на-
личием (а = 1) или отсутствием (а = 0) сигнала; s(tk, у) — известная
(сигнальная) функция, зависящая от вектора параметров у; n(tk, pi) —
составляющая, обусловленная воздействием помех, характеризуемых
вектором параметров pi.
Сигнальная функция для фиксированного значения задержки
сигнала может быть описана следующим выражением:
s(t) =AD(t — т) cos[2n/o(/ — т) +,0(/ — т)л + <ро] •
Здесь А —амплитуда сигнала; D(t — т) —текущее значение (0 или 1)
символа ПСП дальномерного кода; т — задержка сигнала; /о — частота
несущей сигнала НКА; —т)—текущее значение (0 или 1) симво-
ла навигационной информации (НИ); сро — составляющая полной фазы
сигнала, обусловленная особенностями условий распространения при-
нимаемого сигнала.
В более общем случае выражение для сигнальной функции должно
учитывать изменение задержки и появление доплеровского сдвига ча-
стоты Ад, что обусловлено движением НКА и потребителя относитель-
но друг друга. Для этого используется понятие полной доплеровской
фазы сигнала:
срд(/) = 2лАд(/)т.
118
Производная от величины фд(/) определяет текущее значение до-
плеровского сдвига несущей частоты сигнала НКА:
^> = Шд(/) = 2^д(/).
Значение составляющей фазы фо зависит в основном от ионосфер-
ной задержки, которая может изменяться в пределах 5...500 нс [9],
т. е. значительно превышает период несущей сигнала НКА. Поэтому
величину фо можно считать равномерно распределённой на интервале
[0,2п).
Компоненты вектора у, т. е. параметры сигнала, могут быть из-
вестны или неизвестны. В свою очередь, неизвестные параметры
можно трактовать как детерминированные или случайные и рас-
сматривать как информативные или мешающие. Информативным
будем называть параметр, значение которого представляет для на-
блюдателя самостоятельный интерес; мешающий параметр такого ин-
тереса не представляет. Очевидно, что в зависимости от постановки
задачи один и тот же неизвестный параметр сигнала может рассмат-
риваться и как информативный, и как мешающий.
Так, при использовании дальномерных методов измерений инфор-
мативным параметром является задержка радионавигационного сигна-
ла т, а мешающими — Ад и фо- При переходе к радиально-скоростным
методам доплеровский сдвиг Кд становится информативным парамет-
ром, однако фаза сигнала остаётся мешающим параметром. Наконец,
при реализации прецизионных относительных измерений (см. далее)
полная фаза несущей сигнала НКА ф(/) = 2л/о/ - фд(О + фо также
становится информативным параметром. Параметр г)(/ — т) с точки
зрения всех перечисленных задач является мешающим, однако он яв-
ляется информативным с точки зрения задачи декодирования НИ.
Аналогично обстоит дело с амплитудой сигнала А: при НВО этот
параметр не используется, но при выборе рабочего созвездия и кон-
троле качества навигационных сигналов он является информативным.
Наконец, следует отметить, что независимо от того, рассматривается
неизвестный параметр как информативный или мешающий, оптималь-
ный (байесовский) алгоритм обработки сигнала в явном или неявном
виде содержит процедуру оценки этого параметра.
В общем случае оптимальным является алгоритм совместного об-
наружения-оценивания, который состоит в фильтрации вектора пара-
метров у, т. е. в получении массива текущих значений апостериорной
вероятности (АВ), соответствующих всем возможным сочетаниям па-
раметров сигналов. Такой алгоритм является наилучшим в том смысле,
что сохраняет всю информацию, содержащуюся в наблюдаемом сиг-
нале. Однако на практике такой алгоритм реализовать не удаётся,
по крайней мере на современном уровне вычислительной техники, хо-
тя работы в этом направлении ведутся. Поэтому далее рассмотрены
упрощения, используемые при построении так называемых двухэтап-
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
119
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
них алгоритмов, а затем описаны основные подходы к построении
оптимальных и квазиоптимальных одноэтапных алгоритмов.
Первое упрощение оптимального алгоритма состоит в его разби-
ении на ряд этапов, причём для обработки на каждом последующее
этапе обрабатывается только информация, относящаяся к тем обла-
стям пространства параметров, где значения АВ превышают некоторое
заданное пороговое значение. Очевидно, что такая селекция, с од-
ной стороны, устраняет значительную часть информации, относящейся
к тем областям пространства параметров, где наличие сигнала мало-
вероятно, но с другой стороны, может привести к утере части полезной
информации (пропуску сигнала), что необходимо учитывать при выбо-
ре значения порога и других параметров алгоритма.
Как уже отмечалось, в спутниковой радионавигации задачу полу-
чения оценок вектора потребителя принято разбивать на два этапа —
первичную и вторичную обработку При этом на этапе первичной об-
работки решаются задачи поиска и обнаружения сигналов, слежения
за ними, фильтрации (оценки) РНП сигнала, демодуляции служебной
информации.
На этапе вторичной обработки с использованием оценок РНП.
полученных на первом этапе, определяются НП и с помощью соответ-
ствующих навигационных функций вычисляются оценки ВС потреби-
теля, т. е. решается задача НВО. В состав программного обеспечения
вторичной обработки входят также блоки, обеспечивающие управле-
ние первичной обработкой, а также для ввода и вывода необходимой
информации и решения сервисных задач.
5.3.2. Принцип построения алгоритмов поиска и обнаружения
сигнала НКА
Сеанс НВО начинается с поиска сигнала в пространстве неизвест-
ных параметров — задержки т и доплеровского сдвига Ад. В первых
образцах АП, использовавших одноканальные приёмники, задача по-
иска и обнаружения сигналов от необходимого числа НКА (четырёх
и более) решалась путём последовательной настройки приёмника
на соответствующие литерные частоты ГЛОНАСС либо путём пе-
ребора опорных последовательностей дальномерных кодов GPS. Од-
нако оперативность и точность таких измерений не удовлетворяют
современным требованиям. Поэтому в настоящее время приёмни-
ки АП строятся исключительно как многоканальные, причём число
параллельных каналов, реализующих (на аппаратном или програм-
мном уровне) процедуру поиска, обнаружения и оценки параметров
сигнала, колеблется от нескольких десятков в несложных GPS-при-
ёмниках до нескольких сотен и более в образцах мультисистемной
(ГЛОНАСС + GPS + Galileo) АП. Обработка сигнала каждого НКА
при этом осуществляется независимо, поэтому далее ограничимся рас-
смотрением путей решения этой задачи по одному НКА.
120
Задача поиска сигнала в АП СРНС полностью укладывается
в рамки описанной выше классической трактовки: оптимальная про-
цедура состоит в поиске пары значений (т3, Ад), которой соответствует
максимум АВ. Неизвестные измеряемые параметры Ад и т3 считают-
ся независимыми случайными величинами, имеющими непрерывную
плотность распределения. Априорные распределения этих величин
считаются равномерными в интервалах соответственно
О < т3 < ЛНС и Ад min Лд^д max*
Здесь тс — длительность элемента дальномерной ПСП сигнала НКА.
Фаза принятого сигнала НКА на этапе поиска и обнаружения рас-
сматривается как мешающий параметр и считается равномерно рас-
пределённой в интервале 0 ... 2п, поэтому обработка ведётся в квад-
ратурах.
На практике процедуру поиска максимума АВ по непрерывному
пространству параметров {т3, Ад} заменяют упрощённой процедурой,
получаемой путём перехода от непрерывного к дискретному мно-
жеству параметров {т(-,А(}; г = 1.Ат; j =\. где Ат, N/ —
число элементов, на которые разбивается непрерывное пространство
параметров. Поиск по дискретному множеству параметров при этом
состоит в проверке гипотез о наличии сигнала со всеми возможными
комбинациями параметров {т(, АД. Процедура проводится (последо-
вательно, параллельно или последовательно-параллельно) по всему
множеству параметров и реализуется путём сравнения с порогом
решающей статистики, вычисленной при данном сочетании па-
раметров (т/.А;) (при оптимальном приёме сигнала на фоне белого
гауссова шума такой статистикой является отношение правдоподо-
бия или его логарифм).
Превышение порога при некотором сочетании параметров (т(-,Ау)
позволяет утверждать, что параметры обнаруженного сигнала (т3, Ад)
принадлежат некоторой области (ячейке) пространства, примыкающей
к точке (yt,Fj). Иными словам, одновременно с обнаружением сиг-
нала мы получаем интервальную оценку его параметров. Однако
на практике значения (т,, АД принимают за точечную оценку пара-
метров обнаруженного сигнала: т3 = т,-, F^ = Fj. Отсюда следует, что
если строить первичную обработку в виде единого алгоритма обнару-
жения-оценивания, то разбиение непрерывного множества {т3, Ад}
на ячейки (т;, АД должно производиться исходя из требуемой итоговой
погрешности оценки параметров: размер ячейки не должен превы-
шать максимально допустимую погрешность измерений РНП. Однако
с точки зрения затрат времени и вычислительного ресурса АП такой
алгоритм не всегда удобен для практической реализации.
Проиллюстрируем сказанное следующим примером. Пусть требу-
ется обеспечить измерения псевдодальности с погрешностью порядка
15 м, а скорости с погрешностью 0,1 м/с. Для этого необходимо изме-
рять задержку т3 с погрешностью Лт3 % 50 нс, а Ад с погрешностью
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
121
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
порядка ДЛд = 1 Гц. Число дискретных значений задержки тз при этом
составляет Nx = = 2 104, а число значений доплеровского
сдвига Nf = 2^™х = ^-Ц = 104 Таким образом, общее число анали-
' Д/7 1 Гц
зируемых комбинаций (ячеек) имеет порядок Nx х Nf = 2 • 108. Поиск
и обнаружение единственного сигнала при таком размере области
неопределённости требует неоправданно больших затрат вычислитель-
ных мощностей и времени.
Таким образом, совмещение процедур поиска, обнаружения и точ-
ной оценки параметров сигнала в едином алгоритме с технической
точки зрения не является целесообразным. Поэтому в современной
АП алгоритм первичной обработки в свою очередь делится на две
стадии. На первой стадии решается задача поиска и обнаружения сиг-
нала на дискретном множестве параметров, число элементов которого
определяется исходя из того, чтобы погрешность получаемых на этом
этапе оценок обеспечивала возможность «захвата» измеряемых пара-
метров следящими фильтрами, с помощью которых на второй стадии
и производится точная оценка (фильтрация) РНП. Иными словами,
в процессе поиска и обнаружения сигнала точность оценок РНП зада-
ётся существенно ниже, чем требуемая итоговая точность. Рассмотрим
более подробно схемотехнические решения, используемые в АП, по-
строенной по такому принципу.
5.3.3. Устройства поиска и обнаружения сигнала
Важнейшей операцией, выполняемой при поиске и обнаруже-
нии сигнала, является его оптимальная (согласованная) фильтрация.
До настоящего времени эта операция традиционно выполняется в АП
с помощью корреляционной обработки, поэтому базовым элементом
устройства поиска и обнаружения сигнала является многоканальный
коррелятор. В зависимости от того, какие сигналы поступают на входы
коррелятора, может быть реализована как когерентная, так и некоге-
рентная обработка.
Упрощённая схема некогерентного устройства поиска-обнаруже-
ния сигнала НКА приведена на рис. 5.5.
Схема работает следующим образом. Для выбранной пары пара-
метров (т/,Fj) формируется опорный сигнал #(/) = £>*(/—T()cos(27r/y7),
получаемый путём модуляции гармонического колебания cos(2n/y7)
дальномерным кодом /г-го НКА Dk(t - т;), задержанным на величи-
ну т/. Частота колебания соответствует заданному значению до-
плеровской частоты Fj. Сформированный таким образом сигнал y(t)
поступает на опорный вход перемножителя канала /, а через фазо-
вращатель — на опорный вход перемножителя канала Q квадратурного
коррелятора.
На сигнальные входы перемножителей каналов I и Q квадратур-
ного коррелятора параллельно поступает сигнал с выхода УПЧ.
122
Рис. 5.5. Упрощённая схема устройства поиска-обнаружения сигнала
В перемножителях / и Q происходит преобразование принятого
сигнала на нулевую промежуточную частоту и образуются видеосиг-
налы, пропорциональные произведению трёх сомножителей:
1) модулирующей функции принятого сигнала;
2) модулирующей функции синфазной (в канале Q) или квадратур-
ной (в канале /) составляющей опорного сигнала;
3) гармонических колебаний (биений) с частотой AF = Ед — F/.
С выходов перемножителей видеосигналы поступают на накапли-
вающие сумматоры со сбросом (количество суммируемых отсчётов
в сумматорах обычно выбирается равным числу L символов в одном
периоде дальномерной ПСП). Напряжения, накопленные в суммато-
рах коррелятора, затем поступают на устройство вычисления квадра-
та модуля U2 = Q2 + /2 и на второй сумматор, вычисляющий сумму
п
значений Ц2, полученных на п периодах ПСП, т. е. реализующий
/=1
операцию некогерентного накопления.
п
Суммарный сигнал Ц2 поступает на пороговое устройство, в ко-
i=i
тором принимается решение либо об обнаружении сигнала с данными
значениями (тг-, Fj), либо об отсутствии такого сигнала. Оптималь-
ная решающая статистика в данном случае имеет вид z(U) = In Iq(U),
однако поскольку отношение Рс/Рш на выходе интегратора составля-
ет ~ О дБ, справедливо приближение In /o(t/) ^2, т. е. величина U2
может непосредственно использоваться для принятия решения.
При обнаружении сигнала принимается решение о переходе в ре-
жим фильтрации РНП и декодирования НИ. При этом полученные
значения (т,,/-)) принимаются за оценки РНП (тз, /-д) и использу-
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
123
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
ются в качестве начальных условий для соответствующих следящих
фильтров. Если сигнал не обнаружен, принимается решение о про-
должении процедуры поиска для очередного сочетания параметров
(t;+i, Ey+i), устанавливаемых соответственно блоком управления за-
держкой и блоком управления сдвигом частоты.
Число п периодов ПСП, которое необходимо накопить во втором
сумматоре, может быть получено на основе следующих соображе-
ний. Как было показано ранее, отношение сигнал/шум на выходе
приёмника имеет порядок —30 дБ. В то же время известно, что для
обнаружения сигнала с вероятностью D = 0,5 при вероятности ложной
тревоги а= 10~4 пороговое отношение Рс/Рш составляет 7... 10 дБ.
Отсюда следует, что в схеме поиска сигнала в АП суммарный эф-
фект от когерентного и некогерентного накопления должен приводить
к увеличению отношения сигнал/шум примерно на 37... 40 дБ. Корре-
ляционная обработка (когерентное накопление) сигнала на интервале,
равном длительности дальномерной ПСП (1 мс), повышает это отно-
шение в N раз, где /V — число символов дальномерной ПСП (511 для
ГЛОНАСС, 1 023 для GPS), следовательно, отношение сигнал/шум
на выходе коррелятора возрастает на 27... 30 дБ, т. е. примерно
до 0 дБ. Дальнейшее повышение отношения сигнал/шум до требуемой
величины 7... 10 дБ должно быть обеспечено за счёт некогерентного
п
накопления величины Ц2 во втором сумматоре. Можно показать,
/=1
что с учётом неидеальности процедур фильтрации для достижения
указанного выше порогового отношения сигнал/шум обычно доста-
точно накопить от трёх до пяти независимых отсчётов величины б/2,
т. е. необходимая длительность некогерентного накопления составляет
Гн 3 ... 5 мс.
Более сложная в реализации процедура когерентного накопле-
ния, позволяющая получить дополнительный выигрыш в отношении
сигнал/шум, реализуется путём увеличения числа периодов ПСП,
накапливаемых в корреляторе. При приёме навигационного сигнала,
модулированного НС, максимальная длительность интервала, на ко-
тором возможно когерентное накопление, равна отрезку времени,
на котором фаза несущей не изменяется вследствие передачи символов
НС. Для GPS этот интервал равен длительности символа НС (20 мс),
а для ГЛОНАСС—длительности символа бидвоичного кода (10 мс)
(подробнее см. гл. 7). Однако с учётом того, что на этапе обнаруже-
ния сигнала символьная синхронизация отсутствует, т. е. смена знака
символа (фазы несущей) равновероятна в любой момент, интервал
когерентного накопления выбирается равным половине длительно-
сти символа (для GPS —10 мс, для ГЛОНАСС —5 мс). Нетрудно
показать, что с учётом указанного ограничения выигрыш в отноше-
нии сигнал/шум за счёт перехода от некогерентного к когерентному
межпериодному накоплению не превышает для ГЛОНАСС 3 дБ, для
GPS 6 дБ. В настоящее время для того, чтобы снять это ограни-
124
чение, в ансамбли перспективных навигационных сигналов ГНСС
включают так называемые пилот-сигналы, не подвергаемые моду-
ляции НС.
При выборе количества «ячеек» (число пар значений РНП (т(-, F))),
на которое целесообразно разбивать пространство поиска {тз, Гд},
прежде всего должно выполняться очевидное условие: погрешности
оценок РНП (тз, Рд), получаемых на этапе обнаружения, не должны
выходить за границы диапазона значений 5т и 5Р, в котором соответ-
ствующие следящие фильтры обеспечивают «захват» этих оценок.
В свою очередь выбор указанного диапазона определяется ком-
промиссом между двумя противоречивыми тенденциями: с одной сто-
роны, сужение диапазонов 5т и 5Р уменьшает потери сигнала, связан-
ные с неоптимальной фильтрацией при несовпадении его параметров
со значениями (тг, Р;), на которые настроена схема поиска, с другой —
при этом возрастает число анализируемых «ячеек», что увеличивает
общее время поиска.
Проиллюстрируем сказанное на примере схемы поиска-обнаруже-
ния, изображённой на рис. 5.5. При выборе величины 5т будем исхо-
дить из того, что в стандартной схеме слежения за задержкой (ССЗ),
построенной по принципу «early—late» (см. подразд. 5.3.4), макси-
мальное рассогласование принятой и опорной ПСП не превышает
0,5тс. При этом максимальные потери сигнала из-за неоптимальной
фильтрации составляют 3 дБ, средние — менее 1,5 дБ, что считается
допустимым. Таким образом, число Nx дискретных значений задерж-
ки 5т, для которых необходимо принимать решение о наличии или
отсутствии сигнала, может быть принято равным длительности даль-
номерного кода N.
Для оценки числа частотных полос (доплеровских каналов), на ко-
торое целесообразно разбить весь диапазон доплеровских частот 5F,
примем следующее условие. Будем считать, что если для /-го допле-
ровского канала, центральная частота которого Fj наиболее близка
к истинному значению Лд, сдвиг фазы сигнала на интервале времени,
равном длительности ПСП (1 мс), не превышает =60°, то накоп-
ление сигнала близко к когерентному. (Можно показать, что при та-
ком фазовом сдвиге максимальные потери по сравнению с идеальной
когерентной обработкой составляют 1,5 дБ, средние — менее 1 дБ).
При указанной скорости изменения фазы — у круговая частота
разностных колебаний (биений), обусловленных несовпадением ча-
стот гд и Fj, составит сод = —т. е. Fд = — % loo,7 1ц. Со-
ответственно допустимая ширина полосы доплеровского канала равна
±166,7 Гц =333,4 Гц, и для перекрытия диапазона доплеровских ча-
стот 5F = ±5 кГц необходимо 30 каналов. Общее число комбинаций
(т/, Fj) при этом составит 30 • 1023 % 3 • 104, т. е. по сравнению со слу-
чаем в рассмотренном выше примере количество анализируемых ком-
бинаций сокращается примерно в, 104 раз.
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
125
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
Однако это число остаётся достаточно большим, поэтому для
ускорения процедура поиска организуется как параллельно-после-
довательная, при этом число параллельно анализируемых комбинаций
значений (т,,/7,) зависит от требований к оперативности измерений
и стоимости (сложности) АП.
Необходимо отметить, что до последнего времени согласованная
фильтрация в АП в основном реализовывалась во временной области
путём корреляционной обработки, т. е. путём свёртки на корреляторе
принимаемого сигнала с эталонной ПСП дальномерного кода. В на-
стоящее время в качестве перспективного всё чаще рассматривается
вариант согласованной фильтрации в частотной области с исполь-
зованием алгоритмов быстрой свёртки на базе быстрого преобразова-
ния Фурье (БПФ). Достоинство последнего варианта состоит в том,
что, в отличие от коррелятора, согласованный фильтр, реализуемый
с помощью БПФ, как известно, инвариантен к задержке сигнала, т. е.
поиск сигнала по задержке становится ненужным.
Естественно, что для ускорения поиска и обнаружения сигнала
должна использоваться вся имеющаяся в распоряжении наблюдателя
априорная информация, например значения параметров, полученные
в ходе предыдущих сеансов.
5.3.4. Фильтрация РНП и демодуляция НС
Синтез приёмников сигналов ГНСС на основе теории оптимальной
фильтрации представляет достаточно сложную математическую задачу,
важнейшей составной частью которой является нахождение апостери-
орной плотности вероятности (АПВ) ш(у | Y{) информативных пара-
метров у. на основании проведённых наблюдений Y{ = {уг,у2,у^}.
На этапе первичной обработки под термином «информативные»
(«оцениваемые») будем понимать радионавигационные параметры
(псевдозадержку, псевдофазу или псевдо доплеровскую частоту).
В общем случае задача получения оценок РНП относится к классу
задач нелинейной фильтрации, решение которой может быть получено
в том или ином приближении. Наиболее часто используется гаус-
совское приближение АПВ w(yj | Y{). В этом случае оптимальная
(квазиоптимальная) оценка процесса у формируется следящей си-
стемой, обобщённая схема которой приведена на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Обобщённая схема следящей системы
Отсчёты y(tk, у) наблюдаемого процесса в момент времени tk по-
ступают на вход дискриминатора, на второй вход которого поступает
126
опорный сигнал yon(tk, у), сформированный для экстраполированного
на момент времени tk значения у оцениваемого параметра. Дискри-
минатор — устройство, сигнал на выходе которого (/дт^ пропорцио-
нален рассогласованию yk — yk между значениями оцениваемого па-
раметра, соответствующими входному и опорному сигналам. В теории
оптимальной фильтрации (и в теории оценки постоянных параметров)
при приёме сигнала на фоне гауссовского белого шума процесс на вы-
ходе дискриминатора определяется соотношением
_ Pinоу(т| У])
Оптимальное решение задачи оценки этих параметров состоит
в совместной фильтрации двух непрерывных РНП — задержки т и до-
плеровского сдвига частоты несущей сигнала, а также одного
дискретного параметра — значения текущего символа НИ й(/— т),
которое определяет фазу несущей. В литературе такую процедуру ча-
сто называют непрерывно-дискретной фильтрацией. Существенно, что
в оптимальной схеме совместной фильтрации в этом случае присут-
ствуют перекрёстные связи каналов оценки задержки и фазы, т. е.
указанные оценки оказываются взаимосвязанными.
Для упрощения взаимосвязью оценок РНП даже для одного сиг-
нала в первом приближении пренебрегают и полагают, что оценки
задержки т, доплеровского сдвига Дд и символа т)(/ — т) формируются
с помощью независимых каналов, включающих в себя соответствую-
щие дискриминаторы и фильтры. При синтезе таких дискриминаторов
используется допущение, что отношение энергии полезного сигнала
к спектральной плотности шума в каналах оценки достаточно вели-
ко (при расчётах обычно используется стандартное значение, равное
—38 дБ • Гц). Рассмотрим основные схемотехнические подходы, ис-
пользуемые в этих каналах.
Канал оценки задержки сигнала. Этот канал должен выраба-
тывать напряжение, пропорциональное разности истинного значения
задержки т и её оценки т. Смысл процедуры нахождения оценки т по-
кажем на упрощённом примере поиска максимума интеграла свёртки
(корреляционного интеграла) условного видеосигнала хк (дальномер-
ной ПСП с неизвестной задержкой) и опорной ПСП D(t — т):
й
р(т) = J* x(t)D(t — т) dt = гпах(т = т).
to
Для поиска тах(т = т) необходима операция вычисления производной
-*р|т)/с!т, которая в силу независимости величин t и т может выпол-
няться под знаком интеграла:
ст J СТ
*0
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
127
На практике эту производную обычно заменяют конечной разно-
стью двух опорных последовательностей, сдвинутых относительно друг
друга на величину Дт, равную длительности символа ПСП:
5т Дт
(5.1)
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
В литературе последовательность D (t — т + — j обычно
обозначается буквой Е (early — раньше), а последовательность
/ /\т \
D\t — т—— I—буквой L (late — запаздывать). Из формулы (5.1)
следует, что дискриминатор задержки может быть реализован в виде
двух корреляторов, на опорные входы которых подаются последо-
вательности Е и L. Пример схемы ССЗ, построенной по такому
принципу, приведён на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Структурная схема слежения за задержкой
Генератор опорного сигнала содержит формирователь ПСП, вы-
ходной сигнал которого поступает на трёхбитовый регистр сдвига, так-
тируемый с частотой, в 2 раза превышающей тактовую частоту ПСП.
С крайних отводов этого регистра снимаются последовательности Е
и L, которые поступают на опорные входы квадратурных коррелято-
ров, аналогичных рассмотренным выше. Полученные на выходе на-
капливающих сумматоров квадратурные составляющие /д, Ie, Qe
последовательностей Е и L используются для расчёта сигнала рассо-
гласования (ошибки) (7Т. В некоторых типах дискриминаторов (см ни-
же) используют третью последовательность, снимаемую со среднего
отвода регистра и обозначаемую буквой Р (prompt — в данный мо-
мент, незамедлительно).
128
Оценка задержки t; (начальное условие), вводимая в генератор так-
товой частоты ПСП, берётся с блока поиска сигнала. На практике при-
меняются различные алгоритмы вычисления сигнала ошибки t/T. Для
некогерентного приёма с учётом представления производной ПСП ви-
да (5.1) для дискриминатора ССЗ может быть использован следующий
алгоритм:
I/, - ф* + QI - + Q[. (5.2)
Данный алгоритм обеспечивает хорошие характеристики в области
малых отклонений Дт, но крутизна его дискриминаторной характери-
стики Ux = /(Дт) зависит от амплитуды сигнала. Для устранения этого
недостатка вводится нормировка сигнала ошибки
_ \' ^Е + Qe /l + <?£
(5.3)
однако при этом возрастают вычислительные затраты. Поэтому
на практике предпочтение отдают трёхканальному (E,P,L) алгоритму:
U-c = (Je — Il)Ip + (Qe ~ Ql)Qp,
(5.4)
который практически не уступает (5.3) по характеристикам и при этом
требует минимальных вычислительных затрат. Для реализации алго-
ритма (5.4) в схему, изображённую на рис. 5.7, добавляется ещё один
квадратурный коррелятор, на который в качестве опорной подаётся
^-последовательность. С выхода дискриминатора сигнал рассогласо-
вания Ux через сглаживающий фильтр поступает на генератор кода
ПСП для управления временным положением опорной последователь-
ности. Структура сглаживающего фильтра определяется принятой мо-
делью изменений задержки, т. е. в конечном счёте принятой моделью
движения потребителя. Обычно в АП используются сглаживающие
фильтры не выше второго порядка.
Канал оценки доплеровской частоты и фазы сигнала. Этот ка-
нал реализует алгоритм, в котором процесс слежения за частотой
и фазой несущей в АП СРНС разделён на две стадии, поскольку
погрешность оценок Ад, получаемых на этапе обнаружения (поряд-
ка сотен герц, см. выше), превышает полосу захвата фазовой авто-
подстройки (ФАП), имеющую порядок 50 Гц. Поэтому вначале осу-
ществляется уточнение величины Ад, реализуемое схемой частотной
автоподстройки (ЧАП), а затем система переходит в режим слеже-
ния за фазой. При этом оценка доплеровского сдвига Ад формируется
уже не непосредственно путём слежения за частотой несущей, а диф-
ференцированием оценки фазы несущей ф, вычисляемой фазовым
дискриминатором.
Известно [9], что частотный дискриминатор можно реализовать пу-
тём соответствующей обработки отсчётов синфазной и квадратурной
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
129
составляющих I и Q, полученных в смежные моменты времени tk-i, tk.
Наиболее простой в вычислительном отношении алгоритм частотного
дискриминатора имеет вид
и f = lk-\Qk — lkQk-\-
Структурная схема ЧАП, реализующая такой алгоритм, приведена
на рис. 5.8.
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
Рис. 5.8. Структурная схема ЧАП
Оптимальный алгоритм слежения за фазой в общем случае имеет
достаточно сложную структуру. Его упрощение возможно с учётом того
факта, что в момент перехода к слежению за фазой накопленное отно-
шение Рс/Рш уже достаточно велико (порядка 10 дБ и более). Известен
ряд квазиоптимальных алгоритмов слежения за фазой, полученных
с учётом указанного условия, — Костаса, арктангенсный и др. [19].
На рисунке 5.9 представлена используемая на практике схема
ФАП, реализующая алгоритм вида
= Qk sign(A),
где sign — операция выделения знака величины Ik.
Характеристики этого алгоритма близки к оптимальным, а вычис-
лительные затраты минимальны.
Очевидно, что, если исключить операцию sign, получим классиче-
ский вариант схемы Костаса:
= QkIk.
Из сравнения рис. 5.8 и 5.9 следует, что алгоритмы ЧАП и ФАП
имеют много общего и могут быть реализованы с помощью единой схе-
мы. Переход от алгоритма ЧАП к ФАП при этом сводится к неболь-
шому числу коммутаций.
130
Входной
сигнал
Рис. 5.9. Структурная схема ФАП
Порядок и параметры сглаживающего фильтра схем слежения
за фазой и частотой (ССФ и ССЧ) в цепи обратной связи, как и в ССЗ,
определяются выбранной моделью динамики потребителя. Отметим,
что параметры (полоса пропускания и/или коэффициент усиления)
цепи обратной связи могут в процессе наблюдения изменяться в за-
висимости от полученных оценок, т. е. процедура фильтрации может
быть адаптивной.
В отличие от описанных выше алгоритмов фильтрации, которые,
как уже указывалось, получены при допущении независимости оце-
нок псевдозадержки, доплеровского сдвига и фазы навигационно-
го сигнала, комплексная фильтрация оценок РНП предполагает
учёт взаимосвязи указанных параметров. Расчёты показывают, что
комплексная (совместная) фильтрация измерений задержки огибаю-
щей и доплеровского сдвига в некогерентном приёмнике позволяет
в несколько раз снизить шумовую погрешность измерений задержки.
(В технической литературе такой приём получил название «доплеров-
ской поддержки измерений по огибающей».) В когерентном приёмнике
существует возможность фазовой «поддержки» указанных измерений,
однако непосредственное извлечение из фазы сигнала информации
об его задержке связано с проблемой неоднозначности фазовых из-
мерений (подробно см. разд. 8.9). В то же время в системе слежения
за фазой формируется достаточно точная и однозначная оценка допле-
ровского сдвига частоты, которую можно использовать в комплекс-
ном фильтре. В результате точность измерения задержки возрастает
в 10 раз и более по сравнению с автономной системой слежения [21].
Канал выделения символов. В канале выделения символов НС
(рис. 5.10), передаваемого путём низкочастотной относительной фа-
зовой манипуляции (ОФМ), используется сигнал на выходе одного
'3 квадратурных корреляторов.
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки навигационной информации
131
На дешифратор
навигационных
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
данных
Рис. 5.10. Схема канала демодуляции символов НС
Алгоритм выделения НИ сводится к определению знака отсчётов
квадратурной составляющей:
= sign Ik.
Полученные значения (период следования которых будем счи-
тать равным 7псп = 1 мс, см. рис. 5.5) затем поступают в схему де-
модуляции служебной информации, работающую следующим образом.
Блок выделения синхроимпульсов, фиксируя моменты смены по-
лярности сигнала выделяет импульсы бидвоичного кода частоты
100 Гц (см. разд. 7.1). Эти импульсы используются для символьной
синхронизации блоков выделения метки времени, блока формирования
вспомогательного меандра частоты 100 Гц и блока выделения бидво-
ичного кода.
В блоке выделения МВ после свёртки на корреляторе последова-
тельности значений и опорной ПСП МВ, формируемой в этом же
блоке, вырабатывается импульс, синхронный с задним фронтом 30-го
символа кода метки времени, совпадающий с 2-секундной меткой. Эти
импульсы используются для строчной синхронизации.
В результате суммирования по модулю 2 вспомогательного меанд-
ра и бидвоичного кода, содержащего НС, восстанавливаются символы
НС. Эти символы подвергаются дополнительному сглаживанию, при-
чём границы интервалов сглаживания определяются импульсами сим-
вольной частоты НС (50 Гц), формируемых соответствующим блоком.
После сглаживания символы НС вместе с метками времени посту-
пают на навигационный процессор.
5.4. Вторичная обработка
навигационной информации
5.4.1. Одношаговый алгоритм оценки
навигационных параметров
Основной целью этапа вторичной обработки АП является опре-
деление компонент ВС потребителя. Исходными для решения этой
задачи являются полученные на первом этапе оценки РНП —псев-
дозадержки тп и пседодоплеровского сдвига частоты Ад, называемые
первичными, или «сырыми», измерениями [9]. С учётом данных, при-
нятых потребителем в составе НС, по «сырым» измерениям рассчиты-
ваются оценки НП — псевдо дальности S;(^) и псевдоскорости S;(4),
на основании которых с использованием соответствующих навигаци-
онных функций и решается навигационная задача.
Наиболее простым её решением является так называемый одно-
шаговый алгоритм [9], основанный на допущении, что оценки НП
Si(tk) и k= 1,2,..., п, получаемые на основании «сырых» изме-
рений, представляют собой последовательности не коррелированных
во времени и взаимно независимых случайных величин. С учётом по-
следнего допущения рассмотрим реализацию одношагового алгоритма
на примере обработки псевдодальномерных измерений.
Поскольку минимальное число НКА, при котором навигационно-
временная задача имеет единственное решение, равно четырём, одно-
моментную выборку измерений РНП, содержащую не менее четырёх
независимых значений псевдодальностей, называют полной.
Координаты НКА и потребителя при решении навигационно-вре-
менной задачи удобно описывать в ГЦСК. В этом случае определение
координат в АП по данным полной выборки измерений псевдодально-
стей сводится к решению системы нелинейных уравнений вида (3.2).
Эта система линеаризуется в окрестностях априорных (предполага-
емых) значений вектора координат и поправки к ШВ потребителя
g=\x у z сДг|т. При этом систему линеаризованных уравнений
можно записать в векторном виде:
R*R + G(g-g\ (5.5)
5.4. Вторичная обработка навигационной информации
133
где Я-вектор расчётных значений псевдо дальностей относительно
априорных значений, R = R(g\, G(g — g) — матрица приращений (гра-
диентная матрица) псевдодальностей вида
SRi dRi SRi
дх Sy dz
SRz SRi dRj
G = дх Sy dz
SR SRs SRs
дх Sy dz
SRi S_Ri dRj
дх Sy dz
dRi
cd&t
dRz
cddxt
SRs
cdAf
dRi
cddxt
SRi
Sy
\Уе1 ~ У).
R, ’
4x4
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
cRi_ _ (xd. ~ x)'
dx Ri ’
SR, = (Zc< - z).
dz Ri '
SR, _ .
c5A,
т
— вектор оценки искомых координат и поправки
g= x у z cAt
к ШВ. В уравнении (5.5) принято g = g.
Современная АП, как правило, использует результаты первичных
измерений по всем видимым НКА, при этом число НКА превышает
число неизвестных, т. е. возникает избыточность системы уравнений.
При этом матрица имеет размерность 4 х /V, где М — число независи-
мых измерений РНП по разным НКА.
Известно, что в гауссовском приближении оптимальное решение
системы линейных уравнений сводится к методу наименьших квадра-
тов [19], который, как правило, и используется в алгоритмах решения
навигационной задачи. Если найденные оценки параметров сильно от-
личаются от априорных значений, полученные решения используются
как начальные условия для следующей итерации, т. е. применяется ме-
тод последовательных приближений.
Решение системы линеаризованных уравнений методом последова-
тельных приближений Ньютона находится по формуле
g = g + (GTG)~lGT(R — R).
(5.6)
В уравнении (5.6) значение матрицы G рассчитывается относи-
тельно текущего значения оценки вектора g. Начальные условия ите-
рационного алгоритма, как уже говорилось, определяются исходя
из имеющейся у потребителя априорной информации; заканчивается
итерационный процесс при достижении заданной погрешности значе-
ний определяемых параметров (g — g) < о.
Практические алгоритмы определения координат объекта по из-
мерениям псевдо дальностей могут отличаться используемыми числен-
ными методами решения системы уравнений (5.6), и главным образом
методами обращения матрицы (GTG)~I.
134
5.4.2. Алгоритмы вторичного сглаживания НП
Рассмотренный выше одношаговый алгоритм, как уже отмечалось,
основан на предположении, что оценки псевдодальности и псевдоско-
рости, полученные на основании первичных измерений автономны-
ми следящими системами, взаимно независимы и не коррелированы
во времени. В действительности процесс изменения во времени псев-
додальности и псевдоскорости потребителя в большинстве случаев
содержит коррелированную составляющую, соответственно имеется
возможность использовать их оценки для дополнительного сглажи-
вания (уточнения) на интервалах времени, превышающих интервал
между отдельными первичными измерениями. Фактически речь идёт
об идее, аналогичной доплеровской и фазовой «поддержке» дально-
мерных измерений при первичной обработке (см. подразд. 5.3.4). Алго-
ритмы сглаживания вторичных измерений, использующие этот прин-
цип, строятся на базе калмановской фильтрации ВС, компонентами
которого являются оценки псевдодальности и псевдоскорости, т. е. ре-
ализуют комплексную линейную следящую систему. Результаты, при-
ведённые в литературе [9], показывают, что за счёт «доплеровской»
поддержки удаётся существенно (в 3—4 раза) уменьшить С КО оценки
псевдодальности по сравнению со случаем её независимой фильтра-
ции, однако этот выигрыш меньше, чем в случае комплексной филь-
трации РНП на выходе дискриминаторов схем слежения за частотой
и фазой (см. там же).
В то же время точность фильтрации псевдоскорости за счёт «под-
держки» псевдодальномерными измерениями в данном случае возрас-
тает незначительно, поскольку информация о фазе и доплеровском
сдвиге достаточно полно и корректно извлекается в следящих систе-
мах первичной обработки. Сказанное справедливо только при условии,
что закон изменения указанных параметров не отличается от модели,
использованной при синтезе систем. Если данное условие нарушается,
то вторичное сглаживание может дать значительный эффект, однако
структура соответствующего комплексного фильтра усложняется.
5.4.3. Фильтрация НП при вторичной обработке
Алгоритмы вторичного сглаживания, рассмотренные выше, поз-
воляют частично преодолеть основной недостаток одношагового ал-
горитма, состоящий в том, что алгоритм не учитывает предыстории
наблюдений, т. е. оценок координат и составляющих вектора скорости,
данных об уходе частоты ОГ и смещении ШВ, полученных на предыду-
щих этапах обработки. Для более полного учёта накапливаемой апри-
орной информации используются фильтрационные алгоритмы [9],
суть которых сводится к тому, что априори задаётся некоторая модель
изменения оцениваемых параметров во времени, которая учитывает
динамику объекта и позволяет прогнозировать текущие значения ско-
рости, ускорения, а также использовать разновременные измерения.
5.4. Вторичная обработка навигационной информации
135
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
В соответствии с этой моделью ведётся обработка последовательности
оценок параметров ВС, т. е. реализуется процедура слежения за изме-
нениями ВС с использованием всех полученных за время наблюдения
результатов. В качестве навигационного фильтра, реализующего опи-
санный подход, обычно используется дискретный фильтр Калмана или
его модификации. Вектор состояния в этом случае обычно включает
11 компонент: три пространственные координаты, две оценки погреш-
ностей ОГ АП (ШВ и частоты), три составляющие ВС, три составля-
ющие вектора ускорения. Третьи производные перемещения объекта
по времени и члены более высоких порядков трактуются как возму-
щающие силы в уравнениях погрешностей.
Опыт построения АП на основе рассмотренных двухэтапных алго-
ритмов показал, что обеспечиваемая с их использованием погрешность
навигационных определений оказывается достаточной для большин-
ства приложений. В настоящее время в целях дальнейшего повышения
качества НВО разрабатываются более совершенные, так называемые
одноэтапные алгоритмы.
5.4.4. Одноэтапные алгоритмы обработки сигналов в АП
Напомним, что в двухэтапных алгоритмах НВО на этапе первичной
обработки слежение за РНП сигналов НКА осуществляется незави-
симыми каналами навигационного коррелятора (процессора первичной
обработки). При этом на выходе блока первичной обработки получают
первичные измерения — оценки РНП (псевдозадержки и псевдодопле-
ровского сдвига частоты) сигнала по каждому обрабатываемому НКА
На этапе вторичной обработки в навигационном процессоре тем или
иным способом (как правило, это либо метод наименьших квадратов,
либо фильтрационный алгоритм на основе уравнений расширенного
фильтра Калмана) осуществляется оценка компонент ВС.
В настоящее время в качестве альтернативы двухэтапным всё ча-
ще рассматриваются одноэтапные алгоритмы [9]. При одноэтапной
обработке процесс слежения за РНП сигнала в явном виде отсут-
ствует, поскольку осуществляется непосредственная фильтрация
компонент ВС из всей совокупности наблюдаемых сигналов НКА.
При этом необходимые для управления генераторами опорных сигна-
лов оценки РНП формируются непосредственно из оценок компонент
ВС. Синтез одноэтапных алгоритмов базируется на методах теории
оптимальной нелинейной фильтрации марковских процессов и вклю-
чает в себя решение двух задач — синтеза многомерного дискримина-
тора и синтеза интегрированного сглаживающего фильтра. При этом
дискриминатор по компонентам ВС состоит из двух сомножителей —
дискриминатора по РНП и матрицы связи РНП и компонент ВС.
Очевидным преимуществом одноэтапного алгоритма является
то, что в моменты затенения одного или нескольких НКА он сохраняет
работоспособность на время, пока погрешности экстраполированных
оценок ВС не выходят за допустимые пределы. После восстановления
136
необходимого уровня сигналов ГНСС одноэтапный алгоритм позво-
ляет практически мгновенно возобновлять слежение за ними, в том
числе по фазе несущей. На рисунке 5.11 приведена структурная схема
одноэтапного алгоритма НВО.
Рис. 5.11. Структурная схема одноэтапного алгоритма НВО
В зависимости от того, за какими параметрами сигнала осуществ-
- =ется слежение, представленная схема одноэтапного алгоритма НВО
со тветствует либо некогерентному (слежение за задержкой и часто-
й), либо когерентному (слежение за задержкой и фазой сигнала)
: т.-киму.
При реализации когерентного режима в одноэтапных алгоритмах,
как правило, осуществляют расширение ВС за счёт включения в него
шерений псевдодальности по фазе несущей сигналов всех НКА ра-
' чего созвездия. При этом по координатному контуру оценивается
('щая динамическая составляющая, а по фазовому контуру — оста-
'Чная для каждого НКА. Можно показать, что в одноэтапном алго-
ритме обеспечивается эквивалентное сужение полосы ФАП в гг/4 раза
।где п — число используемых НКА).
Практическая реализация таких алгоритмов стала возможной лишь
-«.давно, поскольку для этого необходимы соответствующие вычис-
ительные мощности. Так, один из современных профессиональных
1ASS-приёмников имеет 216 каналов, которые сгруппированы по трём
• зтегориям, одна часть из них имеет пять, а другая — десять кор-
5.4. Вторичная обработка навигационной информации
137
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя
реляторов, оптимизированных для слежения за всеми типами суще-
ствующих и запланированных на будущее сигналов ГНСС, включая
GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Compass/Beidou, QZSS, WAAS, EGNOS.
По своей производительности эти 216 каналов, обеспечивающие быст-
рое восстановление слежения даже при очень слабом сигнале, эквива-
лентны 110000 обычных каналов корреляционной обработки. Каждый
канал оптимизирован для высокоточных измерений по коду, допле-
ровскому сдвигу и фазе сигнала для каждой спутниковой системы.
Канал имеет трёхбитовый ВЧ-вход с 5-мм разрешением для изме-
рений по коду и 0,5-мм разрешение для измерений по фазе сигнала.
Эти параметры обеспечивают возможность эффективного подавления
паразитных сигналов при многолучевом приёме с помощью сложных
64-уровневых адаптивных фильтров, которые работают в пяти различ-
ных полосах сигнала, обеспечивая подавление переотражённых сигна-
лов до 60 дБ. Основная часть программно-алгоритмического обеспе-
чения приёмника реализована на центральном процессоре с тактовой
частотой 220 МГц и обработкой данных с плавающей запятой.
5.4.5. Вспомогательные и сервисные функции АП
Кроме решения основной навигационной задачи программное обес-
печение навигационного процессора содержит блоки управления пер-
вичной обработкой, вводом и выводом необходимой информации, а так-
же программы для решения сервисных задач. Перечислим важнейшие
из них.
1. Декодирование и обработка символов принятого НС. Решение
задачи обеспечивает формирование и обновление данных альманаха,
эфемерид и других поправок, передаваемых в кадре служебной ин-
формации на период сеанса для каждого из рабочих НКА.
2. Выбор рабочих НКА, т. е. определение номеров радиовидимых
в течение ближайшего интервала времени НКА. В качестве исходных
данных используется информация альманаха.
3. Прогноз ожидаемых значений РНП и подготовка целеуказания
для поиска сигналов НКА. В качестве исходных данных используются
данные прогноза положения НКА или (при наличии таковых) априор-
ные данные о положении потребителя.
4. Краткосрочный прогноз эфемерид для предельно точных рас-
чётов значений координат и составляющих вектора скорости НКА
на момент измерений. Исходными данными для задачи являются номе-
ра рабочих НКА и моменты времени измерений, а также оперативная
служебная информация по НКА на ближайший узловой момент вре-
мени.
5. Коррекция результатов решения навигационной задачи с учётом
поправок из служебной информации НКА и данных двухчастотных
измерений (компенсация ионосферной погрешности, см. гл. 6).
138
А
6. Выработка поправок к первичным или координатным измерени-
ям на основании информации, полученной от систем дифференциаль-
ной коррекции (подробнее см. гл. 8).
В состав сервисных задач вторичной обработки входят, как пра-
вило, запись массивов измерений НП и координат, вывод визуальной
информации о траектории объекта, расчёт различных вспомогатель-
ных данных, например времени входа в заданный район, контроль
траектории в заданных пределах и т. п. Особо следует выделить задачу
априорной и апостериорной оценки точности полученных определений,
позволяющей оценить качество навигационного обеспечения сеанса
измерений.
Широкое использование ГНСС в различных сферах человеческой
деятельности привело к тому, что решение чисто навигационных за-
дач рассматривается зачастую как что-то само собой разумеющееся.
Автомобильная АП должна помимо определения координат решать
задачу отображения информации о положении потребителя на цифро-
вой карте, сопоставлять данные о предполагаемом маршруте движения
с информацией о дорожной обстановке, предлагать альтернативные
варианты проезда и т. д. В подобных условиях именно вспомогатель-
ные функции определяют потребительские свойства АП и ее привле-
кательность для конечного потребителя.
В сельском хозяйстве АП широко используется для управления
транспортными средствами и агрегатами по внесению семян и удобре-
ний без участия человека и т. п. Аппаратура потребителя для решения
указанных задач представляет собой сложную систему, объединяю-
щую приемное устройство ГНСС, системы инерциальной навигации,
интерфейсы с приводами управления транспортного средства и други-
ми элементами сельскохозяйственной техники.
За последние два десятилетия вспомогательные и сервисные функ-
ции прошли путь от задачи приёма простейших команд на использо-
вание того или иного НКА до сложных дружественных потребителю
интерфейсов, позволяющих вводить задания, получать справочную ин-
формацию и техническую помощь.
5.4. Вторичная обработка навигационной информации
Глава 6
МОДЕЛИ ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ
И ТОЧНОСТЬ НАВИГАЦИОННО-
ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ
6.1. Модели первичных измерений текущих
навигационных параметров
«(О = stШвпд)),
Ф(0 = f (x(t), stшвп
В основе решения всего спектра задач навигационно-временного
обеспечения потребителей ГНСС лежит использование псевдодально-
мерного метода (см. подразд. 3.1.2), в котором информация о местопо-
ложении потребителя заложена в задержке времени распространения
радиосигнала НКА, излучённого в момент времени /БШв, зафиксиро-
ванного в БШВ НКА и принятого в момент времени /швп, зафик-
сированного в ШВП. Поскольку показания БШВ и ШВП в обшем
случае отличаются от отсчёта времени фиксируемого в СШВ, соот-
ветственно на величины 67бшв(/<) и 6/швп(/(), измеренная потребите-
лем величина времени распространения навигационного радиосигнала
(псевдозадержка, см. гл. 3) определяется следующим соотношени-
ем [11]:
т(^) = [/швп(/;) +6/швп(/;)] —
— [/бшв(/| — т(/,)) +57бшв(/( — т(/,))]. (6.1)
Поскольку трасса распространения навигационного радиосигнала
от НКА до АП неоднородна, кроме расхождений между показания-
ми шкал времени НКА, АП и системы, измеренное АП время рас-
пространения определяется искажениями, вызванными ионосферной
и тропосферной рефракциями, эффектом многолучевого распростра-
нения радиосигнала и аппаратурной погрешностью приёмного устрой-
ства АП. Поэтому, когда псевдозадержка оценивается по огибающей,
выражение (6.1) должно быть уточнено с учётом перечисленных фак-
торов:
т(/«) = [/швп(/г) + б/швп(/;)] — [/бШв(/( ~ т(/;)) + 67бшв(/< ~ т(/,))] +
Ь 6^ион(/<) "Ь ^^троп(/;) + 8тмнл(/() + отпрм(/() + е(/(), (6.2)
где <5тион — задержка распространения радиосигнала в ионосфере;
5ттроп — задержка распространения радиосигнала в тропосфере; 5тмнл —
задержка распространения радиосигнала вследствие многолучёвости;
5тпрм — аппаратурная задержка радиосигнала в АП; е — аппаратурная
погрешность измерения времени распространения.
6.1. Модели первичных измерений текущих навигационных параметров
141
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Соответственно с учётом выражения (6.2) псевдодальность S (3.2)
может быть представлена в следующем виде:
S(/;) = ст(/() = с |/швп(6) — ^бшв(0 —т(/,))] +
+ с [б£швп(М — 57бшв(^ — т(^))] +
+ С[0ТИОН(/;) + 0ТТрОП(/;) + 5ТМНЛ(/;) + 0ТпрМ(/()] + в § (t . (6.3)
Здесь с — скорость света; е$ — шумовая погрешность измерений псев-
додальности.
Информация о местоположении потребителя в выражении (6.3)
заложена в величине с[/швп(Л) — ^вшв(^ — т(/,))], которая связана
с координатами НКА и АП соотношением
с[/швп(Л) - /бшв(/; -т(/;))] = Ш) + W/ -т(Ш
где /?(/(•) —геометрическая дальность между НКА с координатами
(Анка, Унка, ^нка) и потребителем с координатами (%, у, z),
R(ti) = [(Хнка(/; - т(/г)) - х(^))2 + (Унка(/; - т(//)) - У^))2 +
+ (Zhka(^-O)-z(Z0)2]1/2;
6/?(/;—т(^))—погрешность априорной информации о положении
НКА (эфемеридная погрешность).
Обратим внимание на то, что выражение для т(/() (6.2) отража-
ет тот факт, что псевдозадержка в общем случае является функцией
времени, возможно случайной [9]. Учёт этого факта принципиаль-
но необходим при синтезе метода формирования радионавигацион-
ного сигнала для НКА на ГСО (см. гл. 12). Однако применительно
к вопросам, рассматриваемым в данной главе, псевдозадержка может
считаться постоянной величиной, поэтому аргумент текущего времени
далее для упрощения опускается. Таким образом, с учётом введённых
обозначений первичное измерение псевдодальности
S = R + 6/? +
+ с[5/швп — 57бшв + 6тион + 5ттроп + 6тмнл + 5тпрм] + е$. (6.4)
Следует отметить, что в силу периодичности сигналов, использу-
емых в ГНСС, измерения псевдодальности в общем случае являют-
ся неоднозначными. Если для измерения псевдодальности исполь-
зуется огибающая радиосигнала, однозначный интервал измерений
величины S (6.4) определяется периодом повторения ПСП дально-
мерного кода Т и для коммерческих сигналов большинства ГНСС
близок к 300 км (Т = 1 мс). Если же для расчёта псевдодальности
используются первичные измерения псевдофазы несущих колеба-
ний Ф, интервал однозначных измерений равен длине волны несущей,
142
X = 20 ... 25 см. Выражение, связывающее отсчёт фазы с псевдо даль-
ностью, имеет вид
ХФ + о/? + cfo/щвп ЬТ’бшв ётион + 5ттроп + ётмнл + ЬтПрМ] +
+ еФ-ХЛ(, (6.5)
где вф — шумовая погрешность измерений псевдофазы; W = [5/XJ —
неизвестное целое число волн, содержащееся в величине S (далее —
параметр фазовой неоднозначности — ПФН). В данном разделе
анализируется точность НВО применительно к измерениям псевдо-
дальности по огибающей (см. формулу (6.4)). Особенности фазовых
измерений, в том числе методы разрешения неоднозначности, рассмот-
рены в гл. 8.
Из выражений (6.4) и (6.5) следует, что на точность НВО с по-
мощью ГНСС влияет множество факторов: характеристики использу-
емых сигналов, среда распространения, особенности построения АП
и используемые в ней алгоритмы определения РНП и НП и т.д. В
зависимости от локализации источника составляющие дальномерной
погрешности измерений ГНСС можно разделить на следующие кате-
гории:
1) системные погрешности, вносимые аппаратурой космического
комплекса;
2) погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала
от НКА до потребителя;
3) погрешности, возникающие в АП.
Для удобства анализа влияние различных факторов на качество
НВО оценивают величиной эквивалентной погрешности дально-
сти (ЭПД). Кроме перечисленных погрешностей на точность НВО
существенно влияет взаимное расположение НКА и потребителя, для
количественной оценки которого вводится так называемый геомет-
рический фактор.
Далее рассмотрены основные особенности погрешностей, относя-
щихся к перечисленным категориям.
6.1. Модели первичных измерений текущих навигационных параметров
6.2. Точность навигационно-временных
определений по сигналам ГНСС
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппара-
туры НКА и НКУ ГНСС, обусловлены в основном несовершенствм
частотно-временного и эфемеридного обеспечения.
Погрешности частотно-временного обеспечения. Погрешности
оДшв обусловлены уходами бортового эталона, а также конечной точ-
ностью процедур сверки бортовой ШВ с системной. Как следствие
возникает смещение фаз излучаемых дальномерных кодов и меток
времени, что приводит к погрешностям измерения РНП и в итоге
к снижению точности НВО. В тех случаях, когда уход БШВ отно-
сительно СШВ превышает допустимые значения, проводится её кор-
рекция либо путём фазирования (совмещения временных интервалов
БШВ и СШВ) на физическом уровне, либо путём изменения циф-
рового кода БШВ на целое число единиц времени. Коррекция БШВ
ГЛОНАСС производится таким образом, чтобы её сдвиг относитель-
но системной ШВ не превосходил 10 нс, т. е. примерно соответствовал
суточной нестабильности БШВ. которая для НКА «Глонасс-М» со-
ставляет 1 • 10“13.
Однако проведение таких непосредственных коррекций возможно
только эпизодически, в моменты нахождения НКА в зоне видимости
наземных средств наблюдения. В то же время максимальное откло-
нение БШВ относительно СШВ уже через 2 ч после коррекции со-
ставляет примерно 10 нс, а через сутки после коррекции достигает
примерно 25 нс для цезиевых и 110 нс для рубидиевых эталонов.
Поэтому наряду с непосредственной используется алгоритмиче-
ская коррекция, основанная на прогнозировании систематической со-
ставляющей ухода БШВ. Возможность такой коррекции также бази-
руется на результатах многолетних наблюдений, которые показывают,
что на интервалах времени порядка суток систематическая составля-
ющая ухода БШВ изменяется по закону, близкому к линейному.
С учётом сказанного для данного НКА на каждом витке рассчи-
тываются частотно-временные поправки, которые дважды в сутки за-
кладываются в бортовой компьютер НКА, а затем включаются в НС
и передаются потребителю. Поправки представляют собой два па-
раметра линейной модели смещения БШВ относительно СШВ. Эта
модель заложена в программном обеспечении АП, что позволяет учи-
тывать принятые поправки при НВО. Для НКА «Глонасс-М» с це-
зиевым эталоном частоты при такой коррекции погрешность прогноза
144
ухода БШВ на 12 ч составляет в среднем 7,2 нс (ЭПД = 2,1 м). Для
НКА GPS всех модификаций погрешность частотно-временного обес-
печения составляет 4,4 нс (ЭПД = 1,2 м) [22].
Существует ещё одна составляющая погрешности времени — фа-
зовый сдвиг (групповая задержка) навигационного сигнала в аппара-
туре при его распространении от бортового эталона до передающей
антенны НКА [16]. Систематическая составляющая этой задержки
учитывается при расчете параметров коррекции БШВ, передаваемых
потребителю в составе НИ. Случайная составляющая групповой за-
держки, не превышающая 3 нс (ЭПД = 1,0 м), входит в дальномерную
погрешность.
Погрешности эфемеридного обеспечения. Погрешности 5/? обу-
словлены неточностью расчёта параметров орбит НКА в НКУ и не-
прогнозируемыми отклонениями реальной орбиты НКА относительно
экстраполированной. Эфемеридная погрешность о/? имеет три компо-
ненты — продольную 5/ (по касательной к траектории), радиальную 6,
(по направлению к центру Земли) и нормальную о„ (перпендикулярную
плоскости орбиты). Соответствующая эфемеридной погрешности со-
ставляющая ЭПД оэ представляет собой проекцию вектора {б/; 5Г; о,,}
на линию, соединяющую потребителя и НКА; её дисперсия может
быть рассчитана по формуле
°Ir = k^lr + мЧ, + Ч)>
(6.6)
где kr, ^tg — коэффициенты, учитывающие взаимное положение НКА
и потребителя.
Значения этих коэффициентов, приводимые в литературе [23, 24],
несколько различаются, однако в целом имеющиеся данные позволяют
сделать следующие выводы:
• продольная и поперечная составляющие, имеющие соответствен-
но СКО= 1,03 и 1,57 м для НКА ГЛОНАСС и 0,95 и 0,97 м для НКА
GPS, входят в ЭПД с коэффициентом 0,14;
• радиальная составляющая, у которой СКО = 0,96 м для НКА
ГЛОНАСС и 0,42 м для НКА GPS, практически полностью входит
в дальномерную погрешность с коэффициентом kr % 0,98.
С учётом приведённых оценок эфемеридная составляющая ЭПД
имеет СКО = 0,7. ..1,2 м [22].
6.2. Точность навигационно-временных определений по сигналам ГНСС
6.3. Погрешности, вносимые на трассе
НКА — потребитель
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Погрешности, возникающие на трассе распространения, в основ-
ном обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов
в атмосфере Земли са от скорости их распространения в вакууме Со,
а также зависимостью скорости са от физических свойств различ-
ных слоёв атмосферы. Очевидно, что неопределённость скорости с
и других параметров атмосферы приводит к появлению в расчете псев-
додальности погрешности
= (О) Са)^а,
где та — время распространения сигнала через атмосферу, и соответ-
ствующей погрешности НВО. Кроме того, на точность НВО влияет
интерференция сигналов в точке приёма, возникающая при много-
лучевом распространении. Методы борьбы с этими погрешностями
рассматриваются далее.
При анализе атмосферных погрешностей следует иметь в виду, что
механизмы, влияющие на скорость распространения сигнала в тропо-
сфере (нижний слой атмосферы, расположенный на высотах 0.. .10 км)
и ионосфере (верхние слои атмосферы, расположенные на высотах
60... 1000 км), различны, соответственно различаются методы опреде-
ления соответствующих погрешностей и их компенсации.
Ионосферные погрешности. Ионосфера является диспергирую-
щей средой, т. е. групповая и фазовая скорости распространения в ней
сигнала зависят от частоты последнего, что обусловлено высокой кон-
центрацией свободных электронов Ne, которая превышает 103 эл/см3.
Различия в диэлектрической проницаемости слоёв, расположенных
на разных высотах, а также наличие локальных неоднородностей при-
водят к тому, что задержка сигнала НКА в ионосфере (по сравнению
со случаем его распространения в вакууме) изменяется в широких
пределах в зависимости от района Земли, где находится потребитель,
времени суток, года, солнечной и геомагнитной активности и т. д. Об-
щее приращение псевдодальности 6/?ион, обусловленное ионосферой,
может быть определено следующим выражением [19]:
^в
= Jw«(/)dZ, (6.7)
^н
146
где f — частота несущих колебаний; LH — нижняя граница ионосферы;
Лв — верхняя граница ионосферы.
На практике для упрощения вычисления ионосферной задержки
модель (6.7) заменяют на более простую модель, в которой ионосфера
рассматривается как материальная точка (подыоносферная точка) Р,
расположенная на высоте /гит = 350 км (рис. 6.1):
5/?ион = с6тион = —Цг sin Ф = sin ср. (6.8)
COS Ф р /?3 + «ИТ
Здесь Ф — зенитный угол в подыоносферной точке; — вертикальная
плотность электронного содержания (ПЭС); Яз — радиус Земли; ср —
зенитный угол в точке расположения потребителя.
Рис. 6.1. Схема расчёта задержки радиосигнала
в ионосфере
Наиболее удачным примером построения системы компенсации
ионосферной задержки является японская сеть из более чем 1000
-авигационных приёмников, которые расположены на удалении не бо-
лее чем 25 км друг от друга. В результате трёхэтапной обработки
измерений текущих навигационных параметров (ИТНП), формируе-
мых данной сетью, строится карта вертикальной ПЭС с шагом 0.15°
по широте и долготе. Помимо региональных карт, Европейский центр
определения орбит (Center of Orbit Determination in Europe) форми-
рует глобальную карту вертикальных ионосферных задержек. Одна-
ко в несложной коммерческой АП чаще используется компенсация
тайной погрешности на основе модельного прогноза состояния ионо-
сферы. В 1986 г. была предложена модель Клобушара, а в 2001 г.
.’’аборатория аэрономии и распространения радиоволн Международ-
ного центра теоретической физики в Триесте (Италия) и Институт
6.3. Погрешности, вносимые на трассе НКА — потребитель
147
геофизики, астрофизики и метеорологии Университета г. Грац (Ав-
стрия) разработали модель NeQuick [23].
Для определения с помощью модели Клобушара ионосферной за-
держки 5тион, относящейся к моменту времени Т, используют следую-
щее выражение:
вТИОн
A(Ai + А2 cos(A3)),
AAi,
если |А3|
если |А3|
я .
7’
я
7’
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Исходными данными для расчёта по этому выражению являются во-
семь параметров модели [cq, а2, аз, «4] и [(3i, (Зг, (З3, Р4], которые переда-
ются в составе навигационного сообщения НКА GPS, географические
широта В и долгота L АП, азимут Az и угол места Е1 линии визиро-
вания НКА из этой точки.
Переменные F. Ai, А2, А3 связаны с указанными параметрами сле-
дующими зависимостями:
F = 1 + 16 • (0,53 — Е/)3 — коэффициент наклона;
Ai = 5- IO"9 с;
{4
2 а/фит> если а2 0;
i=i
0, если А2 < 0 с;
Л 2п(/-50400)
Аз = рад;
{4
£ [3(ф'ит, если А4 72 000;
/=1
72000, если А4 < 7200 с.
Время t = 43200 • Вит + Т. Если t 86400, то t = t — 86400; если
t < 0, то t = t + 86400.
Координаты подыоносферной точки (см. рис. 6.1) определяют
по следующими формулам:
• геомагнитная широта
(рит = Вит 4" 0,064 • cos(Lht — 1,617);
• долгота
Аит = А + Ф^^, если |ВИт|< 0,416;
COS £>ИТ
• широта
{В + Ф cos Az, если |ВитI 0,416;
о 0,416-Вит io । л/11 с
Вит = —гв—i—, если |Вит | > 0,416,
148
О 0137
где Ф = ’+ 0 j t — 0,022 — центральный земной угол между векторами,
направленными из центра Земли на АП и НКА.
При этом переменные В, L, <рит> Дит, Дит, Az, El, Ф измеряются
в полуциклах (1 полуцикл = 180°).
В результате многолетних исследований установлено, что исполь-
зование модели Кдобушара позволяет компенсировать не менее 50 %
погрешности, вызванной ионосферной рефракцией. Остаточная по-
грешность в этом случае составляет 10...15 нс, что соответствует
ЭПД %3...4,5 м.
Модель NeQuick (обновлённая версия называется NeQuick2) поз-
воляет оценить вертикальную ПЭС, а значение отион определяют с по-
мощью выражения (6.7). Исследования показали, что данная модель
позволяет компенсировать не менее 70 % погрешности, поэтому она
была рекомендована Международным союзом электросвязи для оцен-
ки ПЭС на основе данных о местоположении потребителя и времени,
а также интегральном потоке радиоизлучения на длине волны 10,7 см.
Поток радиоизлучения определяется либо числом Вольфа R12 (самом
точном из солнечных индексов), либо индексом /-^/(количество пятен
на диске Солнца). Связь между величинами R12 и Fwj описывается
выражением
«,2 = F-^. (6.9)
В составе НС нового навигационного радиосигнала НКА ГЛОНАСС
в диапазоне L3 передаётся скорректированный индекс солнечной ак-
тивности Дю? на дату проведения измерения, в системе Galileo эта
величина называется эффективным параметром ионизации Рион [25]:
Люн = ао + Я1Ц + а2р2, (6.10)
где ао, «1, «2 — коэффициенты, передаваемые в составе цифровой ин-
формации радиосигнала НКА Galileo: р —уточнённое магнитное на-
клонение, и = . ц; / — магнитное наклонение.
' VcosB'
Кроме рассмотренных моделей для компенсации ионосферной за-
держки могут использоваться данные, передаваемые широкозонными
функциональными дополнениями (см. гл. 8).
Наиболее радикальным методом компенсации ионосферной по-
грешности является её оценка и компенсация за счёт использования
ИТНП на нескольких частотах. Данный метод основан на том, что
из всех видов погрешностей псевдозадержки только ионосферная со-
ставляющая зависит от частоты сигнала. Поэтому разность значений
псевдозадержки ti и тг, измеренных на частотах R и Д, будет равна
разности ионосферных задержек:
6.3. Погрешности, вносимые на трассе НКА — потребитель
Д^ион "Ч ^2 5тион1 Ьтион2.
(6 11)
Здесь 5тИ0Н(- — ионосферная задержка на частоте Д.
149
В то же время известна теоретическая модель зависимости вели-
чины ионосферной задержки от разности частот
Д^ИОН
— 8тИ0Н1
fj
fl-fV
(6 12)
с помощью которой при известных значениях частот f\ и /2 может
быть рассчитано значение ионосферной задержки:
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
f2
5тИОн1 = с2
Л — /2
(6.13)
которое используется как поправка к измерениям псевдозадержки
на частоте Д. Величину ионосферной задержки на второй частоте
можно получить с помощью масштабного коэффициента (Д/Д)2- На-
пример, при использовании навигационных радиосигналов
ГЛОНАСС с частотным разделением масштабный коэффициент
(9/7)2, а при использовании радиосигналов GPS в тех же диапа-
зонах L1 и L2 масштабный коэффициент составляет (77/60)2.
Из выражения (6.13) следуют формулы так называемых безыоно-
сферных комбинаций измерений псевдодальности S6e3bI0H и псевдофа-
зы Фбезыон [26]:
S -
^безыон
/? - fl lS| лs'2. ’
f2
ж _________ /1
^безыон
------ ф. _ Z2 ф9
Л2-/221 1 А г
(6 14)
(6 15)
где St — измерение псевдодальности на частоте Д; Ф, — измерение
псевдофазы на частоте Д.
Как следует из литературных источников, с помощью описанной
коррекции удаётся обеспечить остаточную (нескомпенсированную)
ионосферную погрешность на уровне порядка нескольких сантиметров
(СКО).
Тропосферные погрешности. На скорость распространения сиг-
нала в тропосфере оказывают влияние нейтральные атомы и молеку-
лы, различие концентрации которых приводит к появлению локальных
неоднородностей, отличающихся значением диэлектрической прони-
цаемости и соответственно значением тропосферной задержки.
Поскольку на частотах менее 15 ГГц значение задержки в тропо-
сфере не зависит от частоты (дисперсия сигнала отсутствует), изме-
рить эту задержку с помощью двухчастотного сигнала невозможно.
Поэтому тропосферная задержка оценивается прогнозным методом.
Наибольшее распространение получили модели Хопфилда (предложе-
на в 1969 г.) и Саастамоинена (предложена в 1973 г.) [26].
В модели Хопфилда на основе измерений атмосферного давле-
ния р, температуры Т и парциального давления водяных паров е
150
определяют приращение псевдодальности 57?троп, обусловленное тро-
посферной задержкой 5ттроп:
б/^троп
— 5/^сух "I" 6^;
10-6 (-12,96-Т + 3,718 • 105) е ,
8Й" = -3--------sinV£2 + 2,25 7^
(6.16)
_ 10-е 77)64 р
^сух" 5 sin V£2 +2.25 сух’
где Е — угол места направления АП — НКА относительно плоскости
горизонта, рад; /zBJI — высота влажного слоя тропосферы (в зависи-
мости от региона земного шара изменяется от 10000 до 13000 м.
на практике принимают 11 500 м) (рис. 6.2);
/гсух = 40 136 + 148,72 • (Т - 273,16)
— высота сухого слоя тропосферы, м.
Рис. 6.2. Схема расчёта задержки радиосигнала
в тропосфере
6.3. Погрешности, вносимые на трассе НКА — потребитель
Модель Саастамоинена позволяет непосредственно оценить 6/?троп
о _ 0,002277
О/<троп - cos ф
(1255 „ П(Л
р + \-f- + 0,05J е
(6.17)
В обеих моделях давление р и е измеряется в миллибарах, а тем-
пература Т — в градусах Кельвина.
Модифицированная модель Саастамоинена учитывает изменение
значения задержки в зависимости от высоты АП и зенитного угла ср:
6/?троп —
0,002277
cos <р
р + + 0,05^ е - В tg2 ср + D,
(6.18)
151
где В — коэффициент, учитывающий высоту АП, мбар; D — коэффи-
циент. учитывающий угол места НКА и высоту АП, м.
Значения В и D табулированы (табл. 6.1 и 6.2),
Таблица 6.1
Значения поправочного коэффициента В модели Саастамоинена
Высота, км 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0
В, мбар 1,156 1,079 1,006 0,938 0,874 0,813 0,757 0,654 0,563
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Таблица 6.2
Значения поправочного коэффициента D модели Саастамоинена
Зенитный угол Высота АП над уровнем моря, км
0,0 0,5 1,0 1.5 2,0 3.0 4,0 5,0
60°00' 0,003 0,003 0,002 0,002 0,002 0,002 0,001 0,001
66°00' 0,006 0,006 0,005 0,005 0,004 0,003 0,003 0,002
70°00' 0,012 0,011 0,010 0,009 0,008 0,006 0,005 0.004
73°00' 0,020 0,018 0,017 0,015 0,013 0,011 0,009 0,007
75°00' 0,031 0,028 0,025 0,023 0,021 0,017 0,014 0,011
76° 00' 0,039 0,035 0,032 0,029 0,026 0,021 0,017 0.014
77° 00' 0,050 0,045 0,041 0,037 0,033 0,027 0,022 0,018
78° 00' 0,065 0,059 0,054 0,049 0,044 0,036 0,030 0,024
78°30' 0,075 0,068 0,062 0,056 0,051 0.042 0,034 0,028
79°00' 0,087 0,079 0,072 0,065 0,059 0,049 0,040 0,033
79°30' 0,102 0,093 0,085 0,077 0,070 0,058 0,047 0,039
79°45' 0,111 0,101 0,092 0,083 0,076 0,063 0,052 0,043
80°00' 0,121 0,110 0,100 0,091 0,083 0,068 0,056 0,047
Как показывают расчёты, величина тропосферной задержки нави-
гационного радиосигнала НКА для потребителя, находящегося
на уровне моря, при условиях отсутствия осадков (р = 1013,25 мбар,
Т = 273,16 К, е = 0 мбар) может составлять от 2,3 м (ЭПД) для
спутников, расположенных вблизи зенита, до 25 м (ЭПД) для спут-
ников, расположенных под углами места менее 5°. С учётом этого
обстоятельства в рабочее созвездие, по которому проводятся НВО,
рекомендуется включать только те НКА, угол возвышения которых
превышает некоторое значение (угол маски), устанавливаемое потре-
бителем. Обычно этот угол составляет 5...10°.
Многолучевое распространение. Многолучевой характер рас-
пространения сигналов НКА в точке расположения антенны АП обу-
словлен их отражением от земной и морской поверхностей и близ-
лежащих объектов, например элементов конструкции носителя АП.
Уровень отражённого сигнала может быть соизмеримым с прямым
сигналом, а его задержка относительно прямого сигнала для НКА,
152
находящегося в зените, может составлять от единиц до сотен мик-
росекунд (при расположении АП на борту самолёта); при небольших
углах возвышения НКА это значение уменьшается на порядок. Интер-
ференционная картина, возникающая при многолучевом распростра-
нении, приводит к существенным искажениям параметров (задержки,
частоты и фазы) полезного сигнала и к соответствующим погрешно-
стям в схемах слежения. Поскольку для ФМ сигналов ширина пика
АКФ не превышает длительности символа тс, влиянием переотражён-
ных сигналов, задержанных на величину порядка тс и более, можно
пренебречь. Отсюда следует оценка максимальной величины погреш-
ности, обусловленной многолучевым распространением: отмнл тс, что
для открытого гражданского радиосигнала ГЛОНАСС с частотным
разделением в диапазоне L1 составляет 2 мкс, а для нового навигаци-
онного радиосигнала в диапазоне L3 — 0,1 мкс. Полагая погрешность
гауссовской случайной величиной, получаем следующие оценки СКО
ЭПД: омнл = cS^MJ1H ЮО м для сигнала с частотным разделением и 5 м
ь
для нового радиосигнала с кодовым разделением.
Таким образом, для снижения влияния переотражённых сигналов
желательно использовать широкополосные сигналы высокой точно-
сти с узким главным пиком АКФ и низким уровнем её боковых ле-
пестков. При использовании в условиях многолучевого приёма более
узкополосных сигналов применяют методы коррекции импульсной ха-
рактеристики коррелятора, а также дискриминаторы с узкой апертурой
дискриминационной характеристики, что позволяет снизить вероят-
ность захвата схемами слежения пиков АКФ, обусловленных приёмом
отражённых сигналов.
Применяют также методы поляризационной селекции, основанные
на том факте, что поляризация сигналов изменяется при отражении
от местных предметов. Поэтому использование на приеме антенн, со-
гласованных с поляризацией спутникового сигнала (правая круговая),
позволяет уменьшить мощность переотражённого сигнала в пределах
до 3 дБ.
Существенное влияние на уровень и структуру переотражённых
сигналов оказывают углы, под которыми сигналы НКА падают
на местные предметы, а также взаимное расположение антенны АП,
отражателей и НКА. Поэтому при выборе рабочего созвездия целе-
сообразно использовать углы маски (см. выше), а также внимательно
относиться к выбору точки расположения антенны, в частности рас-
полагать её по возможности над предметами, которые могут сыграть
роль отражателей. Применение перечисленных и других мер позволяет
снизить значение ЭПД, обусловленной переотражениями, до 2.. .3 м.
6.3. Погрешности, вносимые на трассе НКА — потребитель
6.4. Погрешности АП
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую
погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП 5тпрм и флук-
туационные погрешности eg и е$, обусловленные шумами и динамикой
потребителя.
Аппаратурная задержка радиосигнала в значительной степени
определяется значением группового времени запаздывания (ГВЗ) в вы-
сокочастотном тракте АП на первой промежуточной частоте. На ри-
сунке 6.3 приведена характеристика типового фильтра на поверх-
ностных акустических волнах АЕ5517Н-160.4 производства ООО
АЭК (Россия), который предназначен специально для применения
в спутниковой радионавигационной АП в качестве фильтра на первой
промежуточной частоте и имеет неравномерность характеристики ГВЗ
от 6 до 10 нс.
Рис. 6.3. Характеристика ГВЗ фильтра АЕ5517Н-160 4
В случае использования навигационных радиосигналов с кодо-
вым разделением на одной несущей частоте фактом неравномерности
ГВЗ можно пренебречь, поскольку значение 8тпрм будет идентично
для ИТНП всех НКА и может быть включено в величину ухода ШВП
относительно СШВ 5/швп- Однако при использовании ИТНП, по-
лученных по навигационным радиосигналам ГЛОНАСС с частотным
разделением, неидентичность ГВЗ может привести к дополнительной
погрешности ИТНП в 2.. .3 м.
154
Основными источниками погрешностей е$ и еф в АП являются
нестабильность ОГ, а также шумы схем слежения за задержкой, ча-
стотой, фазой и несущей сигналов НКА. Детальный анализ влияния
этих факторов на погрешности НВО приведён в различных источни-
ках [9, 10, 19, 27], однако по своему объёму этот материал выходит
за рамки данной монографии. Поэтому далее приводятся лишь основ-
ные формулы, позволяющие получить инженерную оценку достижимой
точности измерений в стандартной АП.
6.4.1. Влияние нестабильности опорного генератора
На точность работы следящих систем приёмника оказывает влия-
ние прежде всего кратковременная нестабильность частоты ОГ. при-
водящая к сдвигам ШВП и флуктуациям фазы опорных сигналов.
Для современных кварцевых генераторов, обеспечивающих спадание
спектральной мощности фазовых шумов порядка 40 дБ/дек, в рабо-
те [9] приводится следующая формула для дисперсии погрешности
слежения D-, с, за задержкой, обусловленной нестабильностью О Г
в установившемся режиме:
0,05/Vv
(Д/ссз)3 ’
(6.19)
где — односторонняя спектральная плотность фазового шума ОГ.
Для современных кварцевых генераторов Nv = 10-18 ... 10-21 Гц.
Если принять, что полоса пропускания ССЗ составляет 1 Гц, то при
= 10-18 Гц СКО погрешности а- = V'DX = V5 1О-20 с = 0,22 нс, что
соответствует погрешности измерения дальности порядка 0,066 м. Это
значительно меньше погрешностей, обусловленных другими фактора-
ми (см. ниже «бюджет» погрешностей АП). Однако если попытать-
ся повысить точность определения местоположения малоподвижного
объекта за счёт дальнейшего сужения полосы пропускания, например,
до 0,2 Гц, то значение £)х возрастёт в 53 = 125 раз, соответствен-
но ох = у/ТЦ = 0,22 • V125 % 2,5 нс, линейная погрешности при этом
составит около 0,7 м, что уже сравнимо с другими составляющими
погрешности АП [9].
Формула для дисперсии флуктуаций оценки Df, Гц2, доплеровского
сдвига в установившемся режиме схемы слежения за доплеровским
сдвигом некогерентного приёмника имеет вид
6.4. Погрешности АП
D * ОМ
г~ Д/ссч
(6 20)
где /н — несущая частота.
Расчёт, аналогичный проведённому выше, приводит к следующему
выводу: при ширине полосы пропускания А/сеч = 2 Гц СКО ошибки
составляет порядка 0,5 Гц, соответственно СКО измерений скорости —
порядка 0,1 м/с. При сужении полосы Д/ссч в 10 раз —до 0.2 Гц —
155
эта ошибка составит уже 0,25 м/с, что сравнимо с флуктуационной
ошибкой следящей системы (см. далее).
Аналогичная формула для когерентного (следящего за фазой) при-
ёмника имеет вид
(6.21)
Расчёты по этой формуле подтверждают ранее сделанный вывод:
флуктуации частоты ОГ АП делают неэффективными попытки по-
высить точность работы следящих систем за счёт неограниченного
сужения их полосы пропускания.
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
6.4.2. Шумовые (флуктуационные) ошибки следящих систем
С КО шумовой погрешности типовой некогерентной схемы слеже-
ния за задержкой описывается следующим выражением:
'/?1Пссз
. Pc/No
/?2ПссзПпч
(РМ2
0,5
(6.22)
где тэ — длительность элемента кода ПСП; k\, k<2 — постоянные коэф-
фициенты, зависящие от выбранной схемы слежения; Пссз, Ппч — од-
носторонняя ширина полосы замкнутой схемы слежения и тракта ПЧ
соответственно; Pc/Nq — отношение мощности сигнала к спектральной
плотности шума на входе АП.
Из формулы следует, что для кодов открытых навигационных ра-
диосигналов ГНСС (тэ = 0,1.. .2 мкс) типичное значение флуктуацион-
ной составляющей дальномерной погрешности АП (СКО) составляет
0,5.. .10 м.
Динамическую составляющую дальномерной погрешности АП
можно оценить по формуле
1,12ДаХ
4П2
^Х1ссз
где Да — скорость изменения доплеровского сдвига частоты. Это со-
отношение справедливо для установившегося режима схемы слеже-
ния второго порядка при квадратичном законе изменения задержки
сигнала. Для оценки точности измерения приращения дальности с ис-
пользованием фазы несущей справедливо выражение
Оф =
Г Х2Пссз I0’5
_(2л)2ДМ.
(6.23)
П ~ Ш
D'~ AfaT-
= Ь
=
Потенциальная точность измерения задержки по фазе несущей
определяется соотношением
1
2™?/о ’
156
О О
где q — отношение энергии сигнала к спектральной плотности адди-
тивного шума. При рабочих значениях q2
1
Ж
10
соответствен-
но Оф = —. Типовые значения этой погрешности составляют порядка
1,5 мм для открытых навигационных радиосигналов ГНСС.
6.4.3. Бюджет погрешностей аппаратуры потребителей
Рассмотренные выше составляющие погрешностей определения
псевдодальности и псевдоскорости сведены в табл. 6.3 и 6.4, ко-
торые принято называть «бюджет» погрешностей. При составлении
этих таблиц принято допущение, что все составляющие погрешности
являются гауссовскими случайными величинами с нулевым мате-
матическим ожиданием, поэтому дисперсия итоговой погрешности
представляет собой сумму дисперсий составляющих.
Таблица 6.3
Бюджет погрешностей определения псевдодальности
Источник погрешности Тип АП
Одночастотная Многочастотная
Эфемеридные погрешности 0,70 0,70
Погрешности частотно-временного обеспечения 1.20 1,20
Ионосфера 2,00 0,07
Тропосфера 0,50 0,50
Многолучевое распространение 2,50 2,50
Погрешности АП 0,50 0,70
Суммарная погрешность 3,56 3,00
6.4. Погрешности АП
Таблица 6.4
Бюджет погрешностей определения псевдоскорости
Источник погрешности Значение, м/с
Погрешности частотно-временного обеспечения 0,04
Многолучевое распространение 0,01
Погрешности АП 0,08
Прочие 0,01
Суммарная погрешность 0,09
Погрешность АП соответствует одночастотному неподвижному
приёмнику с двухэтапной обработкой сигналов при наблюдении НКА,
находящегося в зените. Кроме того, предполагается, что в АП приня-
ты описанные выше меры компенсации погрешностей, т. е. в табл. 6.4
приведены их остаточные значения.
6.5. Геометрический фактор
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных параметров
При фиксированных значениях погрешностей ИТНП существенное
влияние на точность местоопределения оказывает взаимное положение
потребителя и НКА, которое определяет углы пересечения поверхно-
стей положения (рис. 6.4). Минимальным погрешностям местоопреде-
ления для дальномерных методов соответствует такое расположение
НКА, при котором в точке расположения потребителя поверхности
положения пересекаются под прямым углом, однако выполнить это
условие при одновременном наблюдении более трёх НКА невозможно.
Рис. 6.4. Влияние геометрии созвездия НКА на точность
местоопределения
Количественной характеристикой погрешности местоопределения,
связанной с особенностями пространственного положения НКА и по-
требителя, служит так называемый геометрический фактор Ге, или ко-
эффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обо-
значение GDOP (от англ. Geometrical delusion of precision — геомет-
рический фактор ухудшения точности).
Для того чтобы уточнить математический смысл понятия «гео-
метрический фактор», запишем зависимость вектора 80 погрешности
определяемых параметров от вектора 8И погрешности измеряемых НП:
5о = gk — gk-i = G *8И.
(6.24)
158
С учётом (6.23) получим корреляционную матрицу ошибок навига-
ционных определений потребителя в виде
Ко = М{(50 - т0)(80 - тоу}\ = G-lKH(G~ly = (G^G)"1. (6.25)
где Ки — корреляционная матрица погрешностей измерения НП (псев-
додальностей), Ки = 7И{(8и — тц)(Ьц — ти)т}; т0, ти — векторы мате-
матических ожиданий погрешностей 80, 8И соответственно.
Примем равными нулю составляющие вектора ти. Тогда т0 = О
и дисперсии определяемых параметров (с^, а^, о|, а^), т. е. диагональ-
ные члены матрицы Ко, полностью определяют погрешности навигаци-
онного сеанса. Анализ выражения (6.24) показывает, что соотношение
погрешностей определения вектора потребителя и измеряемых НП
зависит только от вида матрицы градиентов G, т. е. от геометрии вза-
имного положения НКА и потребителя. Как правило, геометрический
фактор Г2 вводится для случая, когда погрешности измерения НП,
т. е. элементы матрицы Ки, равновелики и некоррелированы. В этом
случае (6.24) можно представить в следующем виде:
K0 = (GtKthG)-1=O2(GtG)-1,
где с? — дисперсия погрешности измерения НП.
Тогда, выразив дисперсию погрешностей сеанса навигационных
определений через след матрицы Ко:
<4 = (°х + + а?) = tr(Ko),
можно представить геометрический фактор в виде коэффициента
ГЕ = [tr(GTG)-‘]0’5 = + +
При выборе орбитальных параметров НКА на этапе разработки
ГНСС, а также при выборе рабочего созвездия НКА в малоканальной
аппаратуре геометрический фактор Г2 является основным критерием.
Показано, что минимальное значение Гп = 1,5 (при измерениях
по четырём НКА) достигается в случае, когда потребитель находится
в центре правильного тетраэдра. Соответственно для наземного потре-
бителя с учётом кривизны земной поверхности минимальное значение
Г2 = 1,732 достигается тогда, когда один НКА находится в зените,
а три других равномерно расположены в горизонтальной плоскости,
т. е. когда объём тетраэдра максимален. Однако такая геометрия ра-
бочего созвездия, как уже говорилось, не оптимальна с точки зрения
атмосферных ошибок, поэтому при используемых на практике углах
возвышения (углах маски) более 10° минимальное значение fs%2.
6.5. Геометрический фактор
Глава 7
ГЛОБАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
7.1. ГЛОНАСС
7.1.1. История создания
ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС)
разрабатывалась в 70-е годы XX века на основе опыта разработки
и успешной эксплуатации советской СРНС «Цикада». После прове-
дения широкомасштабных теоретических, проектных, конструкторских
и экспериментальных работ по созданию
элементов системы началось её пла-
номерное развёртывание. Первые НКА
серии «Глонасс» («Космос-1413», «Кос-
мос-1414» и «Космос-1415») (рис. 7.1)
были выведены на орбиту 12 октября
1982 г. [9]. Далее развёртывание сети
НКА продолжилось с темпом 1—2 запуска
в год.
К концу 1988 г., имея сеть из шести
НКА. используемых по целевому назна-
Рис. 7.1. Навигационный кос-
мический аппарат «Глонасс»
7.1. ГЛОНАСС
чению, система вышла на предэксплуата-
ционный этап. Первая фаза следующего этапа (опытной эксплуатации)
начата в 1993 г. В 1996 г. орбитальная группировка ГЛОНАСС была
развёрнута до штатного состава из 24 НКА.
В середине 1990-х годов была начата модернизация ГНСС
Г ЧОНАСС, основными целями которой было повышение тактико-
технических характеристик системы, и в частности увеличение срока
активного существования (САС) НКА с 3 до 5 лет. В 2001 г. на орбиту
был выведен единственный аппарат «Глонасс», имевший гарантиро-
ванный САС 5 лет. Общий объём производства НКА модификации
Глонасс» за 1983—2002 гг. составил 89 аппаратов.
К сожалению, проблемы в экономике Российской Федерации 1990-х
годов не позволили своевременно заменять новыми аппараты, исчер-
павшие свой ресурс, что привело к деградации орбитальной группи-
161
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.2. Динамика изменения состава орбитальной группировки ГЛОНАСС (1982—2013)
-• вки (в 1999 г. в её составе было лишь 10 аппаратов, из которых
_ лько 8 использовались по целевому назначению, рис. 7.2). В 1998 г.
। поручению Президента Российской Федерации был разработан
май по сохранению и развитию системы ГЛОНАСС, а в 2001 г была
инята Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная
система». В рамках этой программы была завершена разработка НКА
серии «Глонасс-М» (рис. 7.3), лётные испытания которых начались
_ ЮЗ г. 27 марта 2009 г. ГНСС ГЛОНАСС, орбитальная группиров-
-с- к торой на тот момент насчитывала 22 НКА «Глонасс-М», принята
5 эксплуатацию. К концу 2011 г. орбитальная группировка ГЛОНАСС
' -.гл укомплектована до штатного состава —24 НКА, используемые
- целевому назначению, при этом общее количество НКА на орбитах
. вставило 31 НКА. Действующая изданный момент производственная
-> грамма предусматривает выпуск 51 НКА «Глонасс-М», на смену
вторым идет НКА нового поколения «Глонасс-К». Первый НКА
юй серии (рис. 7.4) выведен на околоземную орбиту 26 февраля
г для лётных испытаний.
Рис. 7.3. Навигационный космический аппарат «Глонасс-М»
7.1. ГЛОНАСС
С эавнительные характеристики различных типов НКА «Глонасс»
дены в табл. 7.1.
Указом Президента Российской Федерации от 18 мая 2007 г. уста-
влено, что доступ к сигналам системы ГЛОНАСС предоставляется
ссийским и иностранным потребителям на безвозмездной основе
без ограничений, а Федеральное космическое агентство определе-
•. рдинатором работ по поддержанию, развитию и использованию
ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, учитывая
-*ov место системы ГЛОНАСС.
Дальнейшее развитие системы ГЛОНАСС реализуется в рамках
щепальной целевой программы «Поддержание, развитие и исполь-
163
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.4. Навигационный космический аппарат «Глонасс-К»
Таблица 7.1
Характеристики НКА ГЛОНАСС
Характеристика Глонасс Глонасс-М Глонасс-К
Масса, кг 1415 1415 935
Масса полезной нагрузки, кг 180 250 305
Срок активного существования, лет 3 7 10
Мощность системы электропитания, Вт 1000 1400 2265
Потребляемая мощность полезной нагрузки, Вт 600 580 1060
Суточная нестабильность частоты бортового синхронизирующего устройства 5- 10-13 1 ю-13 5-10"14
зование системы ГЛОНАСС на 2012—2020 годы». Планы по развитию
системы ГЛОНАСС более детально рассмотрены в разд. 7.1.7.
7.1.2. Система координат и шкала времени
Система координат. Как уже упоминалось в гл. 2, в ГЛОНАСС
используется система координат ПЗ-90.02. В соответствии с Интер-
164
г .-ясным контрольным документом [16] ПЗ-90 определена следующим
•азом:
• начало координат расположено в центре масс Земли;
• ось Z направлена на Условный полюс Земли, как определено
комендации IERS;
• ось X направлена в точку пересечения плоскости экватора и на-
чального (нулевого) Гринвичского меридиана;
• ось У дополняет геоцентрическую прямоугольную систему коор-
чат до правой.
В этой системе координат положение точки в пространстве опре-
- ется значениями координат X, Y, Z. Система координат ПЗ-90.02
поддерживается системой из 26 наземных станций. Геодезические ко-
динаты точки в системе координат ПЗ-90.02 относятся к эллипсо-
основные параметры которого приведены ниже:
Игловая скорость вращения Земли, рад/с ............. 7,292115- 10-5
5 гьшая полуось эллипсоида, м ...................... 6378136
• -гфициент сжатия эллипсоида ...................... 1/298,25784
тационное ускорение на экваторе Земли, Мгал .... 978032,84
Необходимо отметить, что на этапе подготовки системы ПЗ-90.02
с "ктября 1998 г. по август 1999 г. был проведён международный
эксперимент по ГЛОНАСС с целью определения расхождений между
темами координат ПЗ-90 и ITRF. Данный проект патронировался
’ "national Association of Geodesy (IAG), International GNSS Service
IGS). американским Institute of Navigation (ION) и International Earth
Rotation Service (IERS). В проекте приняло участие более 60 стан-
нй из 25 стран по всему миру, которые собирали массивы ИТНП
>:• сигналам НКА ГЛОНАСС. Использовалась доступная на тот МО-
v.-" одно- и двухчастотная аппаратура, а также лазерные измерения
о глобальной сети из 30 станций. В результате были определены семь
параметров преобразования из ПЗ-90 в ITRF, в том числе величины
..ения центра координат ПЗ-90, которые составляли по оси ОХ
1.1 м. по оси OY 0,3 м и по оси OZ 0,9 м. Кроме того, имел место
разворот против часовой стрелки относительно оси OZ на 0,16 угл. с,
если смотреть на систему координат со стороны Северного полю-
:а Как было сказано выше, в настоящее время осуществлён пере-
> на систему координат ПЗ-90.02, в которой указанные смещения
v - .шены до +0,36, —0,08 и —0,18 м соответственно. Постановлени-
1равительства Российской Федерации [28] в конце 2012 г. уста-
-на общеземная геоцентрическая система координат ПЗ-90 11,
смешение которой относительно системы координат ITRF-2008 со-
-ет единицы миллиметров. Наиболее значительным результатом
. очненных версий системы координат ПЗ-90 является сниже-
югрешности оценки и прогнозирования параметров орбит НКА
IАС С до единиц сантиметров [29].
7.1. ГЛОНАСС
165
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Система времени. Все НКА ГЛОНАСС оснащены высокоста-
бильными цезиевыми стандартами частоты, суточная нестабильность
которых для НКА ГЛОНАСС составляла 5- 10~13, а для для НКА
«Глонасс-М» — 1 • 10“13. Точность взаимной синхронизации БШВ
НКА «Глонасс» составляла 20 нс (СКО), НКА «Глонасс-М» — 8 нс
(СКО). Перспективные НКА «Глонасс-К» должны обеспечить точ-
ность взаимной синхронизации менее 5 нс (СКО) при суточной неста-
бильности порядка 5- 10“14 [30].
Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС
является водородный стандарт частоты центрального синхрониза-
тора (ЦС) системы, суточная нестабильность которого составляет
(1 ... 5) • 10-14. Контролируемое расхождение между шкалой систем-
ного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона UTC(SU) не должно
превышать 1 мс, а погрешность привязки шкалы системного време-
ни ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) — 1 мкс. Шкалы времени каждого
НКА «Глонасс» периодически сверяются со шкалой времени ЦС. По-
правки к шкале времени каждого НКА относительно шкалы времени
ЦС вычисляются в НКУ ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются
на борт каждого НКА.
Отсчёт секунд системного времени ГЛОНАСС совпадает
с UTC(SU), поскольку при проведении плановой секундной коррекции
UTC (см. разд. 2.1.1) ШВС ГЛОНАСС также корректируется, в отли-
чие от ШВС GPS (см. разд. 7.2). Однако между системным временем
ГЛОНАСС и UTC(SU) существует постоянный сдвиг на целое число
часов, обусловленный особенностями функционирования НКУ:
^глонасс = UTC(SU) + 03 ч 00 мин.
Кроме того, НКА «Глонасс-М» передают поправку tgps для пе-
рехода к шкале времени системы GPS. Погрешность определения
поправки tgps составляет не хуже 30 нс (СКО)
7.1.3. Услуги ГЛОНАСС
ГНСС ГЛОНАСС предоставляет потребителю два вида услуг —
стандартной и высокой точности.
Услуги стандартной точности предоставляются потребителям по-
средством передачи сигналов стандартной точности в L-диапазоне
частот. Каждый НКА «Глонасс-М» передаёт навигационные радио-
сигналы с частотным разделением в двух диапазонах — L1 (1,6 ГГц)
и L2 (1,2 ГГц). Сигнал стандартной точности с тактовой частотой
0,511 МГц, предназначенный для использования отечественными и за-
рубежными гражданскими потребителями, доступен для всех потре-
бителей, оснащенных соответствующей АП, в зоне видимости которых
находятся спутники системы ГЛОНАСС. Необходимо отметить, что
режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного
сигнала стандартной точности, использовавшийся в своё время в GPS
(см. разд. 7.2), в ГЛОНАСС никогда не применялся и не применяется.
166
Рис. 7.5. Динамика повышения точности эфемеридно-временного обеспечения
ГЛОНАСС
НКА и НКУ ГЛОНАСС первого поколения при использовании
сигналов стандартной точности обеспечивали погрешность навигаци-
нных определений по горизонтали 7...50 м (СКО) и по вертикали
~8 м (СКО). Проведённая в последнее десятилетие модернизация
гбитальной группировки и наземного комплекса управления позволи-
уменьшить значение эквивалентной погрешности измерения псев-
д дальности до 1,3 м (СКО) на конец 2013 г. (рис. 7.5).
7.1.4. Орбитальная группировка
Основное назначение орбитальной группировки — формирование
мощью НКА когерентного радионавигационного поля, которое
. п ^ьзуется потребителями для навигационных определений. Для
решения данной задачи НКА должны совершать скоординирован-
. движения по орбитам и излучать жёстко синхронизированные
гналы. Контроль функционирования бортовых систем, управление
эаботой, а также «загрузку» эфемеридной, временной и другой
--формации в бортовые компьютеры НКА обеспечивает НКУ Соот-
* _ твенно в состав бортовой аппаратуры входят передатчики и антен-
•авигационных сигналов и телеметрической информации, антенны
триёмники данных и команд, передаваемых от НКУ, бортовое син-
-визирующее устройство (БСУ), блоки ориентирования, источники
ния и различное вспомогательное оборудование. На НКА также
v жет размещаться дополнительное оборудование, такое, как аппа-
ра контроля внешней среды и др.
НКА ГЛОНАСС размещены на трёх круговых орбитах. Накло-
<не орбитальных плоскостей ф = 64,8°, долготы восходящих узлов
* чек пересечения экваториальной плоскости с полуплоскостями ор-
бит. соответствующих движению НКА с юга на север) различаются
а 120 . В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены
.-.ргументу широты через 45°, в свою очередь аргументы широты
НКА в каждой из орбитальных плоскостях сдвинуты относительно
дней на ±15° (рис. 7.6).
Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 3
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.6. Схема размещения НКА ГЛОНАСС на орбитах
Высоте круговых орбит, равной 19 100 км над поверхностью Зем-
ли, соответствует номинальный период обращения НКА ГЛОНАСС
7 = 11 ч 15 мин 44 с [9, 13], некратный периоду суточного враще-
ния Земли. Орбиты с таким периодом, называемые несинхронными,
менее чувствительны к возмущениям, обусловленным неоднородно-
стью гравитационного поля Земли, по сравнению с синхронными
(«резонансными») круговыми орбитами (Т = 12 ч 00 мин), используе-
мыми в системе GPS (см. разд. 7.2). Действительно, след синхронной
орбиты НКА на поверхности Земли раз в сутки проходит через одни
и те же точки, поэтому картина возмущения орбиты неоднородностя-
ми гравитационного поля будет повторяться для каждого НКА, при
этом заметно отличаясь от картины возмущений для всех других НКА.
След же несинхронной круговой орбиты благодаря вращению Земли
медленно (с периодом 7 сут 23 ч 27 мин 28 с) перемещается относи-
тельно поверхности Земли, при этом возмущения орбит для всех НКА
в среднем практически одинаковы [9].
7.1.5. Наземный комплекс управления
Наземный комплекс управления решает следующие основные за-
дачи:
1) проводит траекторные измерения с целью контроля, уточнения
и прогнозирования параметров орбит (эфемерид) НКА;
2) выполняет временные измерения с целью определения и про-
гноза отклонений БШВ, формируемых синхронизаторами всех НКА.
относительно ШВС, формируемой центральным синхронизатором;
3) формирует массив служебной информации, содержащий прогноз
эфемерид, поправки к БШВ НКА, альманах и другие данные;
4) обеспечивает передачу («закладку») этих данных в бортовой
цифровой вычислительный комплекс НКА для включения в НС, пе-
168
редаваемое потребителю, а также для коррекции БШВ (их синхрони-
зации с ШВС);
5) осуществляет радиотелеметрический контроль, диагностику
и прогноз состояния бортовой аппаратуры НКА;
6) выполняет мониторинг качества радионавигационных сигналов,
излучаемых НКА, с целью выявления возможных неисправностей
и отклонений в работе бортовой аппаратуры; контролирует сдвиг фазы
дальномерного сигнала НКА относительно фазы сигнала центрально-
го синхронизатора (ЦС);
7) осуществляет планирование, программное и командное управ-
ление полётом НКА и функционированием бортовых систем;
8) планирует работу всех элементов НКУ, обработку и обмен дан-
ными между его элементами.
Наземный комплекс управления ГЛОНАСС включает в себя ряд
взаимосвязанных элементов, важнейшими из которых являются:
• центр управления системой (ЦУС);
• центральный синхронизатор (ЦС);
• контрольные станции (КС).
Укрупнённая схема подсистемы контроля и управления приведена
на рис. 7.7.
Рис. 7.7. Укрупнённая схема подсистемы контроля
и управления:
---► — измерения;---► — телеметрия;--->- — команды;
—► — эфемериды;---->— время
7.1. ГЛОНАСС
Рассмотрим основные функции, выполняемые составными частя-
и НКУ.
Центр управления системой (ЦУС), соединённый каналами свя-
зи различных типов со всеми элементами НКУ, осуществляет пла-
нирование и координацию всех используемых в его работе средств.
На основе полученных данных прогноза эфемерид и частотно-вре-
менных поправок НКУ с помощью вычислительных средств балли-
стического центра рассчитывает пространственно-временные характе-
ристики группировки НКА. При этом используются данные системы
ьдиного времени, системы определения параметров вращения Земли,
систем мониторинга гелио- и геофизической обстановки. Необходи-
мо отметить, что требования к точности контроля параметров орби-
ты и синхронизации временных шкал, которые должен обеспечивать
НКУ ГЛОНАСС, существенно выше, чем в любой другой области
космонавтики, поскольку погрешности в этих параметрах непосред-
169
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
ственно определяют итоговую точность НВО. СКО расчёта (прогноза)
параметров орбит НКА не должно превышать 1 м, поэтому при рас-
чётах необходимо учитывать такие факторы, как световое давление
на НКА, влияние релятивистских эффектов и гравитационного поля
Земли, неравномерность вращения Земли и её полюсов, а также нали-
чие реактивных сил, связанных с газоотделением материалов покрытия
НКА. В большинстве других космических приложений считается, что
влияние этих факторов имеет второй порядок малости.
По результатам многолетних наблюдений, при наименее благопри-
ятных условиях СКО эфемеридных данных по радиус-вектору со-
ставляют 0,5...1 м, вдоль орбиты —6...8 м, по нормали к плоскости
орбиты —2 м. При благоприятных условиях погрешности по высоте
и вдоль орбиты приблизительно в 2 раза меньше.
Центральный синхронизатор обеспечивает формирование ШВС.
Поскольку НВО выполняются в ГНСС одновременно по нескольким
НКА, поэтому необходима жёсткая, с точностью до единиц наносе-
кунд, синхронизация бортовых и системной шкал времени, поскольку
расхождение этих шкал в 10 нс приводит к погрешности измерения
псевдодальности порядка 3 м. Как уже говорилось (см. разд. 7.1.2),
для решения этой задачи в настоящее время используются назем-
ные водородные стандарты частоты с относительной нестабильностью
порядка 1 10-14, а также наземные средства сличения шкал с по-
грешностью 3.. .5 нс. Шкала ЦС «привязана» к национальной шкале
времени России UTC(SU).
Контрольные станции (КС) формируют измерения текущих на-
вигационных параметров (ИТНП), необходимые для формирования
эфемеридной информации и оценки расхождений БШВ относительно
ШВС, а также ведут приём телеметрической информации и передачу
(«закладку») информации на борт НКА. Отличие сети КС ГЛОНАСС
от GPS состоит в том, что её структура полностью обеспечивает функ-
ционирование системы с национальной территории. Распределение КС
по территории России иллюстрирует рис. 7.8.
Существующая сеть КС обеспечивает проведение в течение суток
по каждому НКА 10—12 сеансов измерений; объём данных, получа-
емых в одном сеансе, составляет примерно 1 Кбайт. В стандартном
режиме «закладка» на НКА высокоточных эфемерид и временных по-
правок производится 2 раза в сутки. Сеть КС обладает достаточной
избыточностью, поэтому выход из строя одной станции не приводит
к ухудшению параметров системы. В наихудшем случае работоспособ-
ность системы ГНСС ГЛОНАСС может обеспечить ЦУС совместно
всего с одной КС, однако при этом интенсивность работы КС будет
близка к предельно допустимой.
Для периодической юстировки радиотехнических КС используются
квантово-оптические станции (КОС). На НКА для этого устанавлива-
ются специальные оптические отражатели. Всего используются ком-
плексы трёх видов — лазерная дальномерная система «Гео-ИК», КОС
170
Рис. 7.8. Размещение контрольных станций на территории РФ:
а — беззапросные измерительные станции; • — квантово-оптическая станция; Ц — ЦУС
Эталон», а также, в рамках кооперации стран СНГ, КОС «Майда-
нак» (Узбекистан).
Станция «Гео-ИК» является составной частью одноимённой спут-
никовой геодезической системы для определения земных координат-
ных систем и моделей гравитационного поля Земли. Эти модели ис-
пользуются при высокоточных определениях орбит НКА ГЛОНАСС.
КОС применяются для периодической корректировки результатов ра-
диотехнических измерений и обеспечивают погрешность измерения
дальности на уровне 1 ... 2 см, а угловую погрешность — на уровне
1 .5... 2" («Майданак»); 2 ... 3" («Эталон»),
Остановимся более подробно на методах решения задач эфемерид-
ного и частотно-временного обеспечения, которые непосредственно
влияют на точность навигационных измерений с помощью сигналов
ГНСС.
До последнего времени для определения поправок БШВ использо-
валась комбинированная беззапросно-запросная технология, принцип
которой состоит в следующем [10]. На беззапросной измерительной
станции для z-го НКА производится измерение задержки тг- принятого
сигнала относительно системной (эталонной) ШВ. На основании этих
змерений определяют псевдодальность S, = ст,- этого НКА, отли-
вающуюся от истинной дальности R, на неизвестную, но постоянную
за время определения навигационных параметров величину 6/?; = сотг-,
де 0-(- — сдвиг БШВ z-го НКА относительно ШВС.
Запросная измерительная станция фактически представляет собой
: адиолокатор с активным ответом. Путём измерения интервала вре-
мени т/з между излучением запросного сигнала и приёмом сигнала,
излучённого бортовым ответчиком z-го НКА, она определяет даль-
ность до НКА Ri3 = СТ(3, погрешность которой не зависит от БШВ.
171
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Результаты одновременных измерений с беззапросной и запросной
измерительных станций поступают в ЦУС, где определяется значение
сдвига БШВ /-го НКА относительно ШВС:
д =
с
Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС показал, что при собствен-
ной среднесуточной нестабильности БШВ порядка 3- 10-13 погреш-
ность (СКО) взаимной синхронизации ШВ любых двух НКА состав-
ляет 20 нс [9].
В октябре 2007 г. в соответствии с программой повышения конку-
рентоспособности системы ГЛОНАСС осуществлён переход на без-
запросную технологию расчёта поправок для БШВ. При этом от-
носительно результатов одномоментных измерений псевдодальности
до данного НКА, полученных с помощью нескольких измерительных
станций, составляется система уравнений вида (3.2). Решение этой
системы при точно известных координатах измерительных стан-
ций позволяет вычислить параметры орбиты и поправки БШВ данного
НКА относительно ШВС.
Аппаратура контроля навигационного поля (АКНП) — высо-
коточная АП. установленная в точках с эталонными координатами
и оснащённая высокоточным эталоном времени. Это ещё одна со-
ставная часть НКУ ГЛОНАСС. Она обеспечивает контроль качества
самого навигационного сигнала, а также информации, содержащихся
в НС НКА, путём решения навигационной задачи по каждому созвез-
дию спутников и сравнения результатов с эталонными координатами.
В случае если с учётом всех факторов, влияющих на точность
решения задачи, погрешность позиционирования превышает допусти-
мую, принимаются следующие меры:
• на борт НКА передаётся команда о включении в кадр навига-
ционной информации (НИ) признака непригодности сигнала НКА для
проведения НВО;
• с использованием телеметрической информации проводится по-
иск причин некорректного формирования навигационного сигнала;
• после выявления и устранения этих причин выполняется пересчёт
и повторная «закладка» в бортовой компьютер уточнённой навигаци-
онной информации (прогноза эфемерид, часов и др.).
Режим контроля НС предусматривает сравнение измеренных зна-
чений псевдодальностей и псевдоскоростей со значениями, рассчитан-
ными на основании прогнозов, содержащихся в НС по всем НКА.
находящимся в зоне радиовидимости АКНП. Одновременно контро-
лируется отсутствие в НС сигнала запроса, формируемого бортовым
компьютером в случае нештатной ситуации, выявленной в режиме са-
мотестирования. Опыт эксплуатации ГНСС ГЛОНАСС подтверждает,
что перечисленных мер достаточно для поддержания расчётных харак-
теристик навигационного поля.
172
7.1.6. Параметры и структура сигналов и сообщений
На этапе проектировании для ГНСС ГЛОНАСС был принят ча-
стотный метод разделения сигналов различных НКА: каждый из них
использует свою пару несущих частот, одна из которых принадле-
жит диапазону L1, другая — диапазону L2 [16]. При этом номинальные
значения литерных частот в верхнем (индекс 1) и нижнем (индекс 2)
диапазонах для каждого НКА определяются по следующим формулам:
/и = Л.о + ^Д/ь Л,о = 1 602,0000 МГц; А/,= 0,5625 МГц;
h k = /2 о + kД/2; /20= 1 246,0000 МГц; Д /2 = 0,4375 МГц;
/.л =_9
Ь 1'
где k — литера (условный порядковый номер) пары несущих частот /1,*
и /2* в диапазонах LA и А2, присвоенная данному НКА. При этом
крайним значениям литер k= 1,24 соответствовали следующие зна-
чения несущих частот:
/1,1 = 1 602,5625 МГц; /i,24 = 1 615,5000 МГц;
/2,i = 1 246,4375 МГц; /2,24 = 1 256,5000 МГц.
Однако, поскольку в непосредственной близости от рабочих частот
ГЛОНАСС располагаются рабочие частоты систем спутниковой ра-
диосвязи (полосы частот 1 559,0... 1610,0и 1 215,0...! 260,0МГц), воз-
душной радионавигации (полоса частот 1 559.0...1 626,5 МГц), а так-
же выделенная для нужд радиоастрономии полоса частот 1610,6...
... 1 613,8 МГц, план использования радиочастот в интересах ГЛОНАСС
в конце 1990-х годов был пересмотрен.
В частности, было учтено, что. даже при полном составе орби-
тальной группировки (24 НКА), для подавляющего большинства по-
требителей (сухопутных, морских, воздушных) в зоне радиовидимости
не может находиться более 12 НКА. Поэтому в целях сокращения
ширины диапазона было принято решение для взаимно антиподных
(находящихся в диаметрально противоположных точках орбиты) НКА
использовать одинаковые литерные частоты, число которых в каждом
диапазоне частот было сокращено до 12. Кроме того, используемая
полоса частот была смещена «вниз»: с 2005 г. на всех запускаемых
НКА используются литеры несущих частот k = — 7 ... + 4 [9]. Литеры
5...7 являются служебными и могут использоваться для проведения
регламентных работ с НКА.
Совпадение литерных частот взаимно антиподных НКА должно
учитываться в тех случаях, когда АП устанавливается на других КА.
высота орбиты которых позволяет одновременно «видеть» антиподные
НКА. Разделение сигналов антиподных НКА в этих ситуациях воз-
можно при использовании в АП направленных антенн, а также за счёт
доплеровской селекции (для низкоорбитальных космических объектов
доплеровский сдвиг частоты, обусловленный собственным движением
7.1. ГЛОНАСС
173
НКА, достигает десятков килогерц, при этом для антиподных НКА он
всегда отличается знаком).
Все сигналы, излучаемые НКА ГЛОНАСС, привязаны к следую-
щей сетке частот, формируемой общим синхронизатором, Гц:
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Fi F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 Fio Fu
5-106 200-103 50 - 103 1 0-103 1 03 1 00 50 1 0 1 1/60 1/1 800
Сигнал F\ является синусоидальным, остальные сигналы — им-
пульсными.
Чтобы для наземного наблюдателя частота опорного сигнала F\
при нулевом доплеровском сдвиге, т. е. в «траверзном» положении
НКА, составляла ровно 5 МГц, на борту с целью компенсации реляти-
вистского «замедления» времени, возникающего при движении НКА
по орбите, эта частота смещена на величину ДА = —2,18 10-3 Гц. т. е.
составляет 4999999,99782 Гц.
Оцифровка отсчётов времени производится 32-разрядным после-
довательным кодом с тактовой частотой 100 Гц.
Эффективная излучаемая мощность сигнала в канале LA составля-
ет 30 дБ Вт, в канале L2 — 28 дБ Вт. При этом мощность сигнала НКА,
принимаемого изотропной линейно поляризованной антенной с коэф-
фициентом усиления +3 дБ, расположенной на земной поверхности,
в наихудшем случае (угол места НКА менее 5°) составляет:
• не менее —161 дБ Вт для диапазона L1;
• не менее —167 дБ Вт для диапазона А2.
Суммарные потери, связанные с неидеальностью процедур моду-
ляции в передатчике НКА и согласованной фильтрации в приемнике
потребителя для частотных каналов с индексами —7 и +4. т. е. на краях
рабочего диапазона, не превышают 0,8 дБ.
Спектральная плотность фазовых шумов немодулированной несу-
щей удовлетворяет следующему условию: схема слежения за фазой,
имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает по-
грешность слежения за фазой несущей не хуже 0,1 радиана (СКО).
Нетрудно рассчитать, что потенциальная точность дальномерных фа-
зовых измерений при этом составляет примерно 1,5 % длины волны,
т. е. порядка 3 мм.
Мощность внеполосного (за пределами полос шириной 0.511 МГц)
излучения для диапазонов частот L1 и L2 не превышает —40 дБ от-
носительно мощности немодулированной несущей.
Нормальные условия работы ГНСС предполагают одновременный
приём сигналов от четырёх и более НКА. Очевидно, что с точки зре-
ния оптимальной обработки сигнала каждого НКА сигналы всех дру-
гих НКА образуют внутрисистемную помеху. В ГЛОНАСС ширина
спектра сигнала и разнос литерных частот каналов выбраны таким
образом, что в рабочую полосу каждого канала могут попасть толь-
ко боковые лепестки спектра другого сигнала. Их уровень составляет
174
—48 дБ относительно главного лепестка, что существенно меньше, чем
для ГНСС GPS (см. разд. 7.2).
На точность измерений влияет групповая задержка сигнала в бор-
товой аппаратуре НКА, т. е. задержка между сигналом на выходе бор-
тового стандарта частоты и излучаемым сигналом (измеряется в фа-
зовом центре антенны). Она включает в себя постоянную и случайную
составляющие. Данные о величине постоянной составляющей переда-
ются в составе НИ, и она может быть устранена в НАП. Некомпен-
сируемая случайная составляющая не превышает 8 нс.
Излучаемый сигнал имеет правую круговую поляризацию. В секто-
ре ±19° относительно оси симметрии диаграммы направленности пе-
редающей антенны коэффициент эллиптичности по полю не хуже 0,7.
Спектр мощности навигационного радиосигнала практически пол-
ностью определяется наивысшей тактовой частотой модулирующей
последовательности. Для используемых в ГЛОНАСС сигналов стан-
дартной точности (СТ-сигнал, подробнее см. далее) ширина основного
лепестка огибающей спектра мощности радиосигнала равна 1,022 МГц,
а для сигналов высокой точности (ВТ-сигнал) — 10,22 МГц. (Иногда
в литературе для обозначения СТ-сигнала используется аббревиатура
ПТ, т. е. пониженная точность.)
В процессе развития системы ГЛОНАСС состав и структура нави-
гационных сигналов НКА изменялись. НКА модификации «Глонасс»
поддиапазоне L1 излучали двухкомпонентный сигнал, квадра-
турные (сдвинутые на л/2) компоненты которого подвергались отно-
сительной фазовой манипуляции (ОФМ) на угол п двумя псевдослу-
чайными последовательностями — ПСП-1 (СТ-сигнал, тактовая ча-
стота 511 кГц) и ПСП-2 (ВТ-сигнал, тактовая частота 5,11 МГц).
Благодаря использованию фазовых квадратур обеспечивалась орто-
гональность, т. е. отсутствие взаимного влияния при передаче ПСП-1
и ПСП-2. Дополнительно обе квадратурные компоненты подвергались
ФМ символами НС (тактовая частота 50 Гц) и меандра тактовой
синхронизации (ТС, тактовая частота 100 Гц, см. далее).
В поддиапазоне L2 НКА «Глонасс» излучали однокомпонентный
ВТ-сигнал, модулированный только ПСП ВТ-кода, без передачи сиг-
1ов НС.
Для находящихся в эксплуатации в настоящее время НКА моди-
: кации «Глонасс-М» структура сигналов в поддиапазоне L1 не отли-
чается от описанной выше структуры сигнала поддиапазона L1 НКА
Глонасс». Однако произошли существенные изменения в поддиапа-
- не L2, где теперь наряду с описанным выше ВТ-сигналом на другой
- г адратуре также излучается ПСП-1. Рассмотрим более подробно
принцип формирования ПСП-1. ПСП-1 образуется сложением по мо-
лю 2 трёх двоичных последовательностей:
1) символов дальномерного СТ-кода;
2) символов НС с тактовой частотой 50 Гц, передаваемого в виде
ок длительностью 2 с;
7.1. ГЛОНАСС
175
3) символов ТС в виде меандра с частотой 100 Гц.
Принцип формирования ПСП-1 поясняет рис. 7.9.
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Последовательность
символов МВ
(7мв = 03 с, тс= Юме)
Последовательность
информационных
и проверочных символов
(тс = 20 мс)
Меандр тактовой
синхронизации
(тм= Юме)
Рис. 7.9. Схема формирования модулирующей последовательности (ПСП-1)
Как отмечалось выше (см. подразд. 4.4.1), операция суммирова-
ния по модулю 2 символов, принимающих значения (0; 1), в мате-
матическом смысле эквивалентна перемножению символов, прини-
мающих значения (—1; 1), поэтому сформированная на выходе схемы
последовательность (0; 1) после замены 1 =>(—1) и 0=> 1 может ис-
пользоваться как модулирующая функция, реализующая операцию
ОФМ несущей.
Рассмотрим более подробно принцип формирования каждой из со-
ставляющих ПСП-1.
Последовательность символов дальномерного СТ-кода пред-
ставляет собой псевдослучайную последовательность максимальной
длины (М-последовательность) с тактовой частотой 511 кГц и перио-
дом 1 мс, образующий полином которой имеет вид
G(x) = 1
Схема формирования дальномерного кода показана на рис. 7.10,
а временная диаграмма, поясняющая его работу, — на рис. 7.11.
Последовательность символов НС структурирована в виде строк,
кадров и суперкадров. Рассмотрим сначала структуру и принцип
формирования одной строки НС, затем — структуру кадра и супер-
кадра.
В каждой 2-секундной строке НС в интервале времени 1,7 с пере-
даются 85 двоичных символов длительностью 20 мс каждый. Посколь-
ку используется относительная фазовая манипуляция, первый символ
176
Синхроимпульсы
= 5,0 МГц
Рис. 7.10. Схема формирования дальномерного кода
АСинхро-
_ импульсы
Т=1с
Время
Рис. 7.11. Временная диаграмма дальномерного кода ГЛОНАСС
7.1. ГЛОНАСС
каждой строки является начальным («холостым»). Последние восемь
. мволов в каждой строке являются проверочными символами кода
Хемминга, позволяющими исправлять одиночный ошибочный символ
• бнаруживать два ошибочных символа в строке.
В конце 2-секундной строки передаётся метка времени (МВ) дли-
тельностью 0,3 с, позволяющая определять границы кодовых слов и их
комбинаций, т. е. обеспечивающая строчную (цикловую) синхрониза-
. Метка времени представляет собой укороченную на один символ
31-символьную М-последовательность, порождающий полином кото-
имеет вид
g= 1
Меандр тактовой частоты (ТС) добавляется в сигнал для уско-
гчия тактовой (символьной) синхронизации. В принципе информа-
о тактовой частоте НС можно извлечь из него самого, фиксируя
менты смены знака модулирующей последовательности. Проблема
177
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
состоит в том. что в реальных информационных посылках символы О
и 1 неравновероятны и может возникнуть ситуация, когда знак по-
сылки не меняется длительное время. При суммировании по модулю 2
символов НС с меандром удвоенной частоты образуется бидвоич-
ный код, для которого характерно равномерное чередование симво-
лов, в том числе и при неизменном знаке информационных символов.
В приемнике потребителя из бидвоичного кода вновь выделяется ме-
андр, используемый в приемнике для символьной синхронизации, а НС
восстанавливается путём повторного суммирования по модулю 2 вы-
деленного меандра и бидвоичного кода.
Фронты меандра синхронизированы с высокой точностью с гра-
ницами символов МВ и НС. В свою очередь границы символов НС
совпадают с передними фронтами дальномерной ПСП. Временные
диаграммы, поясняющие формирование символов НС и МВ, приве-
дены на рис. 7.12.
Синхроимпульсы (Тс = 10 мс)
t
Символы навигационной информации
в относительном коде (TQ = 20 мс)
t
1,7 с I 0,3 с:
85 символов в бидвоичном коде 30 символов кода ПСПМВ
1
Чётные секунды шкалы времени НКА
Рис. 7.12. Временные диаграммы формирования символов НС и МВ
Кадры и суперкадры НС имеют следующую структуру. Кадр НС
(длительность 30 с) содержит 15 строк. В составе каждого кадра
передаётся полный объём оперативной навигационной информации
178
(НИ) и часть альманаха системы. Оперативная НИ в кадре отно-
сится к НКА. излучающему навигационный радиосигнал, и содержит:
признаки достоверности НИ в кадре; время начала кадра /к; эфе-
меридную информацию (ЭИ) — координаты и производные координат
НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на мо-
мент времени to; частотно-временные поправки (ЧВП) на момент
времени to в виде относительной поправки к несущей частоте на-
вигационного радиосигнала и поправки к ШВ НКА (в литературе
по спутниковой навигации текущий момент времени часто называют
эпохой [9]). Время to, к которому «привязаны» ЭИ и ЧВП, кратно
30 мин и отсчитывается от начала суток. Оперативная НИ исполь-
зуется потребителем в процессе определения собственных координат
и вектора скорости.
Альманах системы содержит:
• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку
к БШВ для каждого штатного НКА орбитальной группировки
(24 НКА);
• время, к которому относится информация альманаха;
• поправку к БШВ системы относительно ШВС UTC SU (погреш-
ность поправки не более 1 мкс).
Альманах необходим потребителю для планирования сеанса на-
вигации при выборе оптимального созвездия НКА и для прогноза
доплеровского сдвига несущей частоты Полный альманах передаётся
в пределах суперкадра, который содержит 5 кадров. Объём суперкад-
ра составляет 7 500 бит, длительность передачи 2,5 мин.
Модулирующая ПСП второй квадратуры сигнала НКА «Гло-
насс-М» (ПСП-2) формируется по аналогичному принципу с тем от-
личием, что ПСП ВТ-кода представляет собой М-последовательность
с тактовой частотой 5,11 МГц.
ПСП-1 и ПСП-2 формируются когерентно от общего стандарта
частоты. Допустимый интервал между фронтами символов не превы-
шает 6 нс.
Выведенный на орбиту в 2011 г. для лётных испытаний НКА
модификации «Глонасс-К» 1-го этапа наряду с радиосигналами L1
и L2 с частотным разделением, полностью аналогичным сигналам
Глонасс-М», дополнительно излучает в диапазоне L3 радиосигна-
лы открытого доступа с кодовым разделением. Кроме того, данный
радиосигнал будут излучать НКА «Глонасс-М» № 55—61, которые
планируется запустить в 2014—2015 гг. [30]. Сигнал L3 с кодовым
разделением излучается на несущей частоте
7.1. ГЛОНАСС
Д£3) = 1 175 • 1,023 МГц = 1 202,025 МГц
и включает в себя два фазоманипулированных радиосигнала откры-
того доступа равной мощности с взаимным сдвигом по фазе несущего
колебания на 90°:
179
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
• информационный радиосигнал ЛЗИ, содержащий МВ и цифро-
вую информацию (ЦИ) НС;
• пилотный радиосигнал ЛЗП без МВ и ЦИ.
Схема формирования радиосигнала L3 изображена на рис. 7.13.
Модулирующая функция сигнала L3H образуется суммированием
по модулю 2:
• символов информационной псевдослучайной последовательности
ПСП-И;
• символов ЦИ, прошедших через свёрточный кодер (СК);
• символов периодического 5-символьного кода Баркера (КБ =
= 00010).
Навигационная ЦИ в диапазоне L3 формируется со скоростью
100 бит/с и далее подвергается свёрточному кодированию с кодо-
вым ограничением 7 и кодовой скоростью 1/2, т. е. длительность ин-
формационных символов составляет 10 мс, кодовых символов —5 мс.
Переключатель в СК (см. рис. 7.13) должен находиться в нижнем
положении в первой половине каждого информационного символа.
Структура СК, определяющего параметры алгоритма декодирования
Витерби, показана на рис. 7.13.
Код Баркера предназначен для синхронизации работы свёрточного
декодера в приёмнике радиосигнала L3.
Пилотный модулирующий сигнал ЛЗП образуется суммированием
по модулю 2 символов информационной псевдослучайной последова-
тельности ПСП-И и символов периодического 10-символьного кода
Неймана — Хаффмена (НХ = 0000110101). Код НХ предназначен для
синхронизации работы свёрточного декодера в приёмнике радиосиг-
нала L3. Период кода НХ, образуемый 10 символами 0000110101
длительностью 1 мс, начинается со старших разрядов и синхрони-
зирован с информационными символами ЦИ (10 мс).
ПСП-И и ПСП-П являются периодическими псевдослучайными
последовательностями с периодом Т = 1 мс и тактовой частотой сим-
волов F = 10,23 МГц. Они представляют собой укороченные до длины
N = 10230 последовательности Касами. которые образуются сумми-
рованием по модулю 2 двоичных (1; 0) символов, поступающих с так-
товой частотой F = 10,23 МГц от цифровых автоматов (ЦА);
1) ЦА1 и ЦА2 для формирования ПСП-П;
2) ЦА2 и ЦАЗ для формирования ПСП-И.
Сдвиговый регистр в ЦА2 имеет 14 триггеров, обратные связи
от триггеров с номерами 4, 8, 13, 14. Сдвиговый регистр в ЦА1 и ЦАЗ
имеет семь триггеров, обратные связи от триггеров с номерами 6 и 7.
Полные периоды ПСП-И и ПСП-П содержат
214 - 1 = (27 - 1)(27 + 1) = 16383
символов. Укорочение до длины М = 10230 выполняется установкой
с периодичностью 1 мс следующих кодов начального состояния (НС)
в регистры ЦА (см. рис. 7.13):
180
Рис. 7.13. Схема формирования радиосигнала АЗ:
ЦИ — цифровая информация; СК — свёрточный кодер; КБ — код Баркера; ЦА — цифровой автомат; СД — синхронный делитель
7.1. ГЛОНАСС
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
1) в ЦА2 код НС = 00110100111000;
2) в ЦА1 код НС = п\
3) в ЦАЗ код НС = п + 32.
Здесь п — системный номер НКА в орбитальной группировке: на пер-
вом этапе модернизации системы ГЛОНАСС п = 1 ... 24 для 24 штат-
ных НКА, п = 25... 30 для 6 нештатных НКА; на втором этапе мо-
дернизации п= 1 ... 30 для 30 штатных НКА и п = 31 для 1 нештат-
ного НКА.
Цифровая информация НС передаётся в составе информационно-
го радиосигнала L3H. Двоичные символы ЦИ (1;0) передаются по-
средством инвертирования ПСП-И со скоростью 100 симв./с. Поток
информационных символов ЦИ подвергается свёрточному кодирова-
нию с кодовым ограничением 7 и кодовой скоростью 1/2 (длитель-
ность кодовых символов 5 мс). Поток символов ЦИ структурируется
в 3-секундные строки, содержащие 300 позиций для символов, пере-
даваемых со скоростью 100 симв./с. Гибкая структура НС радиосиг-
нала L3OC позволяет преодолеть ряд недостатков, свойственных НС
с жёсткими строго периодическими структурами, состоящими из стра-
ниц (кадров), подкадров (срок) и слов. В этой структуре НС форми-
руется в виде переменного потока строк различных типов. Каждый
тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определён-
ный тип информации, например эфемериды, альманахи определённых
КА, параметры модели движения полюсов Земли, параметры модели
ионосферных задержек и т. д. АП выделяет из потока очередную стро-
ку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию,
содержащуюся в этой строке. При такой структуре НС строгая перио-
дичность поступления в АП информации различных типов (эфемерид,
альманаха и т. д.), конечно, нарушается, но подсистема управления
ГЛОНАСС гарантирует, что задержки передачи в НС информации
каждого типа не будут превышать заранее оговорённых в интерфейс-
ном контрольном документе (ИКД) максимальных значений.
Гибкая строковая структура НС позволяет значительно более эф-
фективно использовать пропускную способность канала передачи НС,
особенно на стадии развёртывания системы, которая, как показывает
практика, может длиться несколько лет. На этой стадии орбитальная
группировка ГНСС содержит неполное число КА, поэтому НС можно
формировать в виде потока строк, содержащих альманахи только тех
КА, которые реально находятся в орбитальной группировке. Сокра-
щение числа строк с альманахами КА позволяет сократить интервал
времени, через который будут передаваться эфемериды. Очевидно, что
НС с жёсткими периодическими структурами не позволяют реализо-
вать эти возможности.
Но главным достоинством НС с гибкой строковой структурой яв-
ляется возможность её эволюционной модернизации при соблюдении
принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчи-
ков АП специально указывается, что если АП в НС встречает строки
182
неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет
добавлять в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим
типам строк строки с новыми типами. При этом, конечно, скорость
передачи строк старого типа уменьшается.
АП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и, сле-
довательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе
модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не наруша-
ется. Вновь же разрабатываемая АП получает возможность исполь-
зовать информацию из строк как старого, так и нового типа и, следо-
вательно, использовать вводимые новации.
Модернизация старой АП в этом случае сводится к замене ста-
рой версии её программного обеспечения (ПО) на новую версию. При
этом такая замена происходит не потому, что старая версия ПО ста-
новится неработоспособной, а потому, что владелец АП желает, чтобы
его аппаратура использовала новации, вводимые в ГНСС.
Строки «очень старых» типов могут со временем совсем выво-
диться из НС. При этом «очень старая» и немодернизировавшаяся
АП становится неработоспособной. Однако такая ситуация является
вполне нормальной, так как может рассматриваться как исключение
из эксплуатации морально устаревшей АП.
При использовании гибкой строковой структуры модернизация НС
ГЛОНАСС в ранее рассмотренном примере увеличения количества
КА в орбитальной группировке до 30 свелась бы к простому увеличе-
нию в потоке числа строк с типом, определяющим структуру данных
альманаха. При этом скорость передачи эфемерид и альманаха, есте-
ственно, несколько замедлилась бы, но никаких переделок ПО АП
в этом случае не потребовалось бы.
Навигационные сообщения всех новых сигналов ГЛОНАСС с ко-
довым разделением будут иметь гибкую строковую структуру. В на-
стоящее время разрабатываются документы по структуре строк НС
этого типа. Для примера на рис. 7.14 показана структура строки 20-го
типа сигнала L3OC открытого доступа с кодовым разделением в диа-
пазоне L3, содержащая данные альманаха.
Смысловое содержание параметров, показанных на рис. 7.14 сле-
дующее: СМ.В — сигнал метки времени; Тип — тип строки (в данном
случае тип = 20); ОМ.В — оцифровка метки времени; j — номер КА, пе-
редающего данное навигационное сообщение; Р — оперативный при-
знак годности (0) или негодности (1) навигационного радиосигнала
КА с номером /; Р — признак достоверности (0) или недостоверно-
сти (1) данных НС в данной строке КА с номером /; П1 — служебные
биты вызова наземного комплекса управления (НКУ); П2 —признак
режима ориентации КА, П2 = 0 — КА находится в режиме ориентации
на Солнце, П2 = 1 — КА находится в режиме упреждающего разворота
либо же находится в состоянии смены режимов (ориентации на Солн-
це и упреждающего разворота); КР — признак плановой коррекции
бортовой шкалы времени (БШВ) на ±1 св конце текущего кварта-
7.1. ГЛОНАСС
183
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
смв Тип омв J
20 6 15 6 11 1_
II
Г7 I7
55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
ш Ns Яд Na РСд МА Та
4 |] 1 2 1 1 6 6 И 5 3 14
ГШ
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
П2 КРА
105 ПО 115 120 125 130 135 140 145 150
ХА ^А Д/д
21 21 18
155 160 165 170 175 180 185 190 195 200
£а С0А ДГА
15 16 22
205 210 215 220 225 230 235 240 245 250
7
54
255 260 265 270 275 280 285 290 295 300
ЦК
24
Рис. 7.14. Строка 20-го типа с данными альманаха одного КА
в навигационном сообщении сигнала L3OC ГЛОНАСС с кодовым
разделением
ла по Гринвичскому времени; А — признак аномальности следующей
строки, которая при коррекции бортовой шкалы времени на ± 1 с будет
иметь длительность 2 либо 4 с; ЦК — проверочные биты циклического
кода.
Перечисленные выше параметры строки 20-го типа являются слу-
жебными. Их содержание сохраняется неизменным для всех строк
НС сигнала L3OC. Следующие параметры строки 20-го типа являют-
ся информационными: — число КА в текущей орбитальной груп-
пировке; Ед — возраст альманаха КА; Ад — календарный номер су-
ток внутри четырёхлетнего интервала, к которым относится альманах;
РСд — регистр состояния навигационных радиосигналов Z.1, L2, L3;
Л4д — модификация КА с номером /; тд —значение поправки для пе-
рехода от БШВ КА с номером j к шкале времени системы (ШВС)
ГЛОНАСС; Хд — геодезическая долгота первого восходящего узла ор-
биты КА с номером / внутри суток с номером Д/д; — момент по шка-
ле московского декретного времени (МДВ) прохождения КА с номе-
ром / первого внутри суток с номером Мд восходящего узла орбиты;
184
Д/а — поправка к среднему значению (63°) наклонения орбиты КА
с номером /; ед — эксцентриситет орбиты КА с номером /; сод — ар-
гумент перигея орбиты КА с номером /; Д7д — поправка к среднему
значению (43200 с) драконического периода обращения КА с номе-
ром /; Д7д — скорость изменения драконического периода обращения
КА с номером /.
7.1.7. Перспективы развития системы ГЛОНАСС
Важнейшим направлением развития системы ГЛОНАСС является
разработка нового поколения НКА «Глонасс-К» второго этапа, кото-
рый будет иметь две антенные фазированные решетки [30] — одна для
излучения радиосигналов с частотным разделением, вторая — с кодо-
вым. В связи с этим в настоящее время проводятся активные работы
по выбору ансамблей новых сигналов с кодовым разделением в диа-
пазонах L1 и L2.
Предпосылками этого являются:
• создание ансамбля навигационных сигналов ГЛОНАСС с ча-
стотным и кодовым разделением для высокоточного координатно-вре-
менного обеспечения широкого круга потребителей;
• расположение сигналов в выделенных для системы ГЛОНАСС
диапазонах частот;
• возможно более низкая спектральная плотность мощности сиг-
налов в радиоастрономической полосе 1 610,6...1 613,8 МГц;
• совместимость с другими ГНСС;
• взаимодополняемость с другими ГНСС.
Этапы развития сигналов с кодовым разделением ГЛОНАСС пред-
ставлены в табл. 7.2.
7.1. ГЛОНАСС
Таблица 7.2
Этапы развития навигационных радиосигналов ГЛОНАСС
Тип НКА Диапазон частот
Сигналы с частотным разделением Сигналы с кодовым разделением
L1 L2 L3 LI, L2 План
«Глонасс» LAOF L2OF — — —
«Глонасс-М» LAOF L2OF — — —
«Глонасс- К1» LAOF L2OF L3OC — —
«Глонасс-К2» LAOF L2OF L3OC LAOC L2OC —
«Глонасс-КМ» LAOF L2OF L3OC LAOC L2OC 1АОСМ L5OCM
Основной из важнейших проблем при этом является обеспече-
ние очень низкого уровня спектральной плотности мощности излу-
чения —238 дБВт/(м2 • Гц) в радиоастрономической полосе 1 610,6...
185
... 1 613,8 МГц, а также уплотнение более двух компонент сигнала, при
котором обеспечивается постоянный уровень амплитуды излучаемого
сигнала.
Решение первой проблемы частично достигается подбором видов
модуляции с провалом в спектральной плотности мощности в ра-
диоастрономической полосе. Пример спектра такого сигнала с мо-
дуляцией ВОС(5,2,5), обладающего желаемым провалом, показан
на рис. 7.15.
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Радиоастрономический
диапазон
-160-
Сигналы
с частотным
разделением
1570 1580 1590 1600 1610 1620
-180 -
-160-
-180 -
1230
1240 1250 1260 1270 1280
Сигналы
с кодовым
разделением
Рис. 7.15. Спектры навигационных радиосигналов ГЛОНАСС
Общий вид спектров навигационных радиосигналов ГНСС в диа-
пазонах LI, L2 и L3, а также структура радиосигналов ГЛОНАСС
в данных диапазонах приведены на рис. 7.15. Представленные выше
навигационные радиосигналы будут реализованы в НКА «Глонасс-К»
второго этапа, запуски которых планируется начать с 2016 г.
Реализация международных навигационных радиосигналов L1OCI
и LbOCl, аналогичных радиосигналам НКА GPS (см. разд. 7.2), за-
планирована на следующем этапе развития системы.
7.2. NAVSTAR/GPS
7.2.1. История создания
История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё на-
чало с 1973 г., когда Управление совместных программ (Joint Program
Office —JPO), входящее в состав Центра космических и ракетных ис-
следований США, получило указание Министерства обороны США
разработать, испытать и развернуть навигационную систему косми-
ческого базирования. Результатом данной работы стала система, по-
лучившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System
with Time And Ranging), из которого прямо следовало, что систе-
ма предназначена для решения двух главных задач — навигации, т. е.
определения мгновенного положения и скорости потребителей, и син-
хронизации их шкал времени.
Министерство обороны США определяло назначение системы сле-
дующим образом [31]: «NAVSTAR (GPS) является всепогодной на-
вигационной системой космического базирования, разрабатываемой
Министерством обороны для удовлетворения требований военных сил
в точном определении их положения, скорости и времени в общей
системе координат в любом месте на земле или рядом с ней на по-
стоянной основе».
Поскольку инициатором создания GPS являлось МО США,
то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение за-
дач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно раннее
название системы — оборонительная система спутниковой навигации
(Defense Navigation Satellite System — DNSS).
Однако конгресс США, по предложению президента, обязал со-
действовать гражданскому применению GPS. В этой связи интересно
отметить, что первым использовавшимся на практике образцом аппа-
ратуры GPS был коммерческий приёмник, созданный в конце 1980-х
годов для геодезических работ — относительных навигационных опре-
делений на коротких базовых линиях с точностью единиц миллимет-
7.2. NAVSTAR/GPS
187
ра (СКО). (Торговое название приёмника Macrometer Interferometric
Surveyor™, разработчик — С. Counselman, рис. 7.16). На момент нача-
ла применения этого приёмника аппаратура, спроектированная в ин-
тересах МО США, ещё только проходила испытания.
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.16. Первая геодезическая навигационная
аппаратура потребителя
Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла при-
мерно 5 лет, но уже в 1974 г. фирма Rockwell получила заказ на из-
готовление первых восьми НКА Block I (рис. 7.17) для создания де-
монстрационной системы.
Рис. 7.17. Навигационный космический аппарат GPS Block I
188
Стоимость каждого GPS Block I составляла 20 млн долл. США.
?выи НКА был запущен 22 февраля 1978 г., и в том же году
Р ckwell получила контракт на создание ещё четырёх НКА, из ко-
торых три были использованы для отработки технических решений,
-изволивших доработать 12-й НКА, который стал первым аппаратом
серии, получившей название Block II (рис. 7.18).
Рис. 7.18. Навигационный космический аппарат GPS Block П/ПА
Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS
будет насчитывать 24 НКА в трёх орбитальных плоскостях высотой
-0200 км и наклонением 63°, однако бюджетные ограничения привели
сокращению числа НКА в составе группировки до 18. Кроме того,
моменту начала серийного производства в 1989 г. НКА Block II было
принято решение об изменении параметров орбиты НКА GPS, в част-
ности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных
плоскостей увеличено до 6.
При создании НКА Block II стоимостью около 50 млн долл. США
учитывались интересы всех групп потребителей (военных и граждан-
ских): если все сигналы НКА Block I были открытыми, то НКА Block II
излучали сигналы с открытым и санкционированным доступом. В от-
личие от НКА ГЛОНАСС на борту НКА Block II устанавливалось
комбинированное бортовое синхронизирующее устройство, включаю-
щее два цезиевых и два рубидиевых стандарта частоты.
В 1983 г. было принято решение о производстве 28 НКА данного
типа, однако их было изготовлено и запущено только 9. В процес-
се производства НКА Block II были доработаны с целью установки
аппаратуры межспутниковой связи и обнаружения ядерных взрывов
и получили обозначение Block ПА. НКА Block ПА № 13 и 15 также
были оборудованы лазерными отражателями для проведения траек-
торных измерений с использованием КОС. Последний из 19 НКА
7.2. NAVSTAR/GPS
189
данной серии был запущен 11 ноября 1997 г. К февралю 2014 г. в со-
ставе орбитальной группировки находились восемь НКА данного типа.
Создание следующего поколения GPS, Block IIR («R» — replace-
ment — замена), было направлено на увеличение срока активного
существования и улучшения тактико-технических характеристик
(рис. 7.19).
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.19. Навигационный космический аппарат GPS Block IIR
Стоимость производства одного НКА составила 42 млн долл.
США. Контракт на создание данного поколения НКА, полученный
компанией General Electric Astrospace (впоследствии Martin Marietta
и Lockheed Missiles & Space) в 1989 г., предусматривал создание
21 НКА. НКА Block IIR способны определять своё местоположение
посредством межспутниковых измерений относительно других НКА
данного типа. Бортовые вычислительные комплексы НКА Block IIR
могут быть перепрограммированы в полёте для исключения и ис-
правления ошибок в работе бортовой аппаратуры, повышена также
и радиационная стойкость аппаратуры. К февралю 2014 г. в соста-
ве орбитальной группировки находились восемь НКА данного типа.
Впервые были реализованы гибкие алгоритмы управления, позволя-
ющие восполнять орбитальную группировку данными типами НКА
190
при общей длительности процедуры транспортировки, запуска и вво-
да в систему в течение 60 дней. На орбиту были запущены 12 НКА
данного поколения, а ещё 7 НКА были модернизированы.
Первый модернизированный НКА Block IIR-M («М» —modern-
ized — модернизированный) был запущен 25 сентября 2005 г.
(рис. 7.20).
7.2. NAVSTAR/GPS
Рис. 7.20. Навигационный космический аппарат GPS Block IIR-M
Данные НКА впервые предоставили гражданским потребителям
возможность использовать в частотном диапазоне L2 сигнал, полу-
чивший условное обозначение L2C, кроме того, в диапазонах L1 и L2
были введены новые военные навигационные сигналы, модулирован-
ные Л4-кодом.
В настоящее время восполнение орбитальной группировки осу-
ществляется запуском НКА Block IIF («F» —follow on —продолже-
ние), разработанного компанией Boeing (рис. 7.21).
Заключённый в 1996 г. контракт первоначально предусматривал
создание 33 НКА, однако в 2000 г. были повышены тактико-техниче-
ские требования к НКА, а их количество сокращено до 12. Первый
НКА был запущен 27 мая 2010 г. и позволил потребителям использо-
вать третий гражданский навигационный радиосигнал в диапазоне L5
в дополнение к традиционным радиосигналам в диапазонах L1 и L2.
Кроме полезной нагрузки в этом поколении НКА существенно мо-
дернизированы служебные системы, в частности ИНС. В целом про-
191
Рис. 7.21. Навигационный космический аппарат GPS Block HF
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
грамма создания НКА Block IIF сопровождалась чередой технических
и организационных проблем, которые привели к срыву сроков созда-
ния данного НКА на 17 месяцев.
Характеристики НКА GPS всех поколений приведены в табл. 7.3.
Таблица 7.3
Характеристики НКА GPS
Характеристика НКА GPS Block
I П/ПА IIR IIR-M IIF III
Масса, кг 845 1660/1 816 1 126 1465 2160
Срок активного существования, лет 4.5 7,5 12 15
Мощность системы электропитания, Вт 400 710 1040 1900 —
Краткую историю развёртывания орбитальной группировки GPS
иллюстрирует табл. 7.4.
Таблица 7.4
Количество НКА GPS
Блок Период запусков Запуски спутников Исполь- зуются (февраль 2014 г.)
Запу- щено Не- успешно Гото- вится Заплани- ровано
I 1978-1985 10 1 0 0 0
II 1989-1990 9 0 0 0 0
ПА 1990-1997 19 0 0 0 8
IIR 1997-2004 12 1 0 0 12
IIR-M 2005-2009 8 0 0 0 7
IIF 2010-2011 4 0 8 0 4
ША 2014-? 0 0 0 12 0
Всего 62 2 — — 33
В заключение описания истории развития GPS отметим два важ-
ных этапа развёртывания системы — фазу первоначальной работоспо-
192
собности (ЮС) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап ЮС
начался в 1993 г., когда в составе орбитальной группировки насчи-
тывалось 24 НКА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых
к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC со-
стоялся в июле 1995 г., после завершения всех лётных испытаний,
хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объ-
еме с марта 1994 г.
Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже
в течение более чем двух десятилетий, при этом на протяжении всей
своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетво-
рения требований различных категорий как гражданских, так и воен-
ных потребителей по точности, надёжности, доступности и целостности
навигационно-временного обеспечения. Более подробное рассмотре-
ние программы развития GPS приведено в конце данного раздела.
7.2.2. Система координат и шкала времени
Система координат. В GPS используется Всемирная геодезиче-
ская система 1984 г. (World Geodetic System — WGS-84). Данная си-
стема координат была создана на основе обработки измерений СРНС
Transit, полученных более чем 1 500 измерительными пунктами. Как
известно, любая геоцентрическая система координат тесно связана
с параметрами земного эллипсоида — главной полуосью а, нормали-
зованным зональным гравитационным коэффициентом второго поряд-
ка Сг.о, угловой скоростью вращения Земли сое и гравитационной по-
стоянной Земли р. Система WGS-84 применяется в GPS с 1987 г.
Гравитационный коэффициент Сг,о можно выразить параметром сжа-
тия /, который определяется отношением между главными полуосями
эллипсоида
г _ а — b
' а
Сравнение систем WGS-84 и ITRF (см. гл. 2) позволяет отметить
примечательные различия [31]:
• WGS-84 была создана на основе доплеровских наблюдений
по сигналам СРНС Transit, a ITRF основана на наблюдениях ла-
зерных дальномеров SLR и интерферометров со сверхдлинной ба-
зы VLBI. Точность привязки станции сбора измерений по сигналам
СРНС Transit составляла 1...2 м, а точность привязки станций ITRF
находится на уровне сантиметров;
• числовые значения определяющих параметров отличаются от зна-
чений ITRF. Наиболее существенное различие заключается в значе-
ниях гравитационной постоянной rfp = pwgs — Pitrf = 0,382 • 108 м3/с2,
что приводит к существенным различиям в оценке параметров орбит
космических аппаратов.
На основе этой информации Defence Mapping Agency (DMA)
предложило заменить значение р в WGS-84 стандартным значением,
принятым в IERS, и переопределить координаты станций слеже-
7.2. NAVSTAR/GPS
193
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
ния за сигналами GPS. Соответствующая WGS-84, действующая
с 1994 г., обозначена WGS-84 (G730), где число 730 обозначает номер
недели GPS, когда эта система была введена [32].
В 1996 г. National Imagery and Mapping Agency (NIMA, преем-
ник DMA) внедрило следующую версию системы, обозначенную как
WGS-84 (G873). Параметры системы определены по измерениям, по-
лученным со станций с уточнёнными координатами. Связанный с си-
стемой эллипсоид теперь определяется четырьмя параметрами, при-
ведёнными ниже, которые несколько отличаются от соответствующих
значений ITRF. Очередное уточнение параметров системы WGS-84
(G1678) состоялось в 2012 г., при этом расхождения между действу-
ющей системой WGS-84 и ITRF 2008 составляет величину порядка
1 см, т. е. обе системы являются фактически идентичными.
Параметры земного эллипсоида системы WGS-84
Параметр и значение Название
а = 6378 137, 0 м ............. Большая полуось эллипсоида
/ = 1/298,257223563 ........... Параметр сжатия эллипсоида
<х>е = 7 292 115- 10“11 рад/с . Угловая скорость вращения Земли
р = 2986004,418 • 108 м3/с2 . Гравитационная постоянная Земли
Система времени. Системное время GPS связано с координиро-
ванным всемирным временем (UTC) в соответствии с наблюдениями
морской обсерватории США (USNO). Номинально шкала времени
GPS имеет постоянное, равное 19 с расхождение с международным
атомным временем TAI:
TAI = Время GPS + 19,000s
и совпадала с UTC в начальный момент шкалы времени GPS (пол-
ночь с субботы 05.01 на воскресенье 06.01.1980 г.). Как указывалось
в гл. 3, TAI и UTC различаются на целое число секунд п. В июне
2012 г. значение п составило 35 с, и, следовательно, время GPS точно
на п = 16 с опережает UTC.
Отсчёт времени ведётся в неделях GPS (начало отсчёта —
00 ч 00 мин 06.01.1980) и секундах в рамках текущей недели. Для
расчёта недели GPS используется соотношение
. JD-24 442 444,5 , п г
Week = --------у-------h 0,5 ,
где JD указывает дату по юлианскому календарю, а [• + 0,5] — опера-
ция целочисленного округления. Нетрудно убедиться, что J2000 при-
ходится на субботу 1 042-й недели GPS. Поскольку в системе GPS
номер недели записывается с помощью 10-разрядного двоичного чис-
ла, максимальное значение номера недели равно 1 023. Следовательно,
нулевой номер недели повторился в полночь 21—22 августа 1999 г.
194
7.2.3. Услуги GPS
Система GPS предоставляет два вида услуг —услугу стандарт-
ного позиционирования (Standard Positioning Service — SPS), до-
ступную для всех потребителей, и услугу точного позиционирова-
- я (Precise Positioning Service — PPS), доступную для санкциониро-
анных потребителей.
Принцип разделения услуг состоит в следующем. Каждый НКА
езлучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах (по-
дробнее см. далее). Квадратурные составляющие сигналов, передава-
емых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуля-
ции ФМ-2 различными дальномерными ПСП. Структура некоторых
из этих ПСП опубликована, соответственно данный сигнал может при-
иметься всеми потребителями. Структура другой части ПСП закрыта,
поэтому данный сигнал доступен для приёма только санкционирован-
ным потребителям, которым структура ПСП известна. Рассмотрим
-• дробнее особенности предоставления указанных услуг.
Услуга стандартного позиционирования (SPS). Согласно [32],
услуга стандартного позиционирования и временной синхронизации
д ступна для всех категорий потребителей безвозмездно и глобально
• реализуется посредством излучения всеми НКА GPS навигаци-
нных радиосигналов, модулированных дальномерным кодом С/А
।Coarse/Acquisition — грубый приём). Код С/А представляет собой
ПСП Голда (см. далее) длительностью 1 023 символа с тактовой
<астотой 1,023 МГц. Таким образом, ПСП С/А-кода имеет период
вторения Т = 1 мс, что соответствует интервалу однозначного изме-
: ния псевдо дальности около 300 км.
Программа развития GPS предусматривает предоставление граж-
данским потребителям услуги SPS с помощью сигналов L2C, L5
1С [32], однако на момент написания данной книги (лето 2013 г.)
.ько сигнал L\ С/А был доступен гражданским потребителям в гло-
бальном масштабе, поскольку две трети орбитальной группировки GPS
составляли НКА серии Block IIA/IIR (подробнее см. разд. 7.2.1).
При оценке точностных характеристик системы в GPS использует-
я подход, который не включает погрешности, вносимые ионосферой,
посферой, НАП, многолучевым характером распространения сиг-
алов, рельефом местности или помехами, т. е. анализируется сигнал
жрытом пространстве (Signal In Space — SIS). Утверждённые МО
США. точностные характеристики GPS, обеспечиваемые с вероятно-
ю 95 °о, приведены в табл. 7.5.
Необходимо отметить, что разница между глобальной средней по-
“эешностью навигационных определений, полученной усреднением из-
менений по всем точкам в интервале измерения 24 ч, и точностью
к • кретных навигационных определений позволяет выявить худший
случай. Условие «все спутники в пределах видимости» подразумевает
маску в 5° по углу места и исключение из рабочего созвездия измере-
но ещё двум пригоризонтным НКА.
7.2. NAVSTAR/GPS
195
Таблица 7.5
Точностные характеристики услуги стандартного позиционирования
Погрешности навигационных определений Условия и ограничения
Глобальная средняя погрешность навигационных измерений
13 м по горизонтали < 22 м по вертикали Интервал измерения 24 ч, усреднена по всем точкам. Все спутники в пределах видимости
Худшая погрешность навигационных опредений
36 м по горизонтали 77 м по вертикали Интервал измерения 24 ч для любой точки. Все спутники в пределах видимости
Точность временной синхронизации < 40 нс Интервал измерения 24 ч, усреднена по всем точкам
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Обратим внимание, что фактические значения SPS зависят от мно-
гих других факторов, помимо приведённых условий и ограничений.
На практике точностные характеристики значительно лучше [31]: ре-
зультаты обработки массивов измерений, полученных по сети
из 20 пунктов, показывают, что по горизонтали погрешность состав-
ляет 7,1 м, а по вертикали не превышает 11,4 м. При этом необходимо
всегда оговаривать тип НАП и антенны, а также место расположения
данного оборудования. Отметим, что установленное МО США зна-
чение доверительной вероятности, равное 0,95, отличается от обычно
используемой оценки погрешности по уровню За (99,73 %). Примени-
тельно к SPS GPS можно говорить о том, что погрешности по уровню
99,73 % по вертикали и горизонтали будут «ниже 50 м за отдельными
заметными исключениями» [32]. Именно для недопущения подобных
выбросов и устанавливается маска угла места НКА, исключающая
из обработки пригоризонтные спутники.
Приведённые выше экспериментально подтверждённые оценки точ-
ности услуги SPS оказались существенно лучше прогнозов: при про-
ектировании GPS предполагалось, что точность навигационных опре-
делений при использовании С/А-кода будет в пределах 400 м. Ре-
альная точность измерений по С/А-коду оказалась в 10 и более
раз выше — 15...40 м (СКО) по координатам и доли метра в секун-
ду по скорости. Возможность получения такой точности измерений
с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения,
что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным против-
ником, в том числе в системах высокоточного оружия. В качестве
защитной меры, начиная с НКА Block II, в GPS были реализова-
ны два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности
навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей —
селективный доступ (Selective Availability — SA) и одновременно при-
нятые меры по защите от так называемых уводящих помех (Anti-
spoofing— AS).
196
Технически режим селективного доступа заключается в искажении
частотно-временных поправок (процесс 5) и эфемерид (процесс е).
Процесс 6 основан на внесении случайных флуктуаций в частоту
•ртового опорного генератора, что приводит к появлению медленных
с периодом порядка нескольких минут) флуктуаций отсчётов псевдо-
(альности и фазы псевдодоплеровкой частоты. Амплитуда флуктуаций
псевдодальности, обусловленных процессом 6, имела порядок 50 м.
Процесс е представляет собой преднамеренное понижение точно-
передаваемых потребителю эфемерид НКА, реализуемое путём
сечения младших разрядов НС. Проведённые в середине 1990-х го-
сов эксперименты показали, что погрешности прогноза эфемерид мо-
- достигать 50...150 м и иметь периодичность в несколько часов
Погрешности прогноза эфемерид при наличии и отсутствии режима
селективного доступа приведены на рис. 7.22.
СТ, М О
ж е SА выкл
о .............:
• •
50 - •
SA вкл.
100 - •
150----1---1--1--1---1--1--1---1--1--1--1---1---*-
0 4 8 12 16 20 24 ч
Рис. 7.22. Радиальная составляющая погрешности
прогноза эфемерид для НКА GPS № 21 на 177-й
день 1992 г. при включённом режиме SA и на 184-й
день 1991 г. при выключенном режиме SA
7.2. NAVSTAR/GPS
Режим SA был активирован 25 марта 1990 г. В соответствии с тре-
' ваниями МО США точность НВО гражданских потребителей была
-огрублена до 100 м в плане и до 156 м по высоте. Техническое за-
дэние предусматривало также доведение погрешности навигационных
пределений по скорости до 0,3 м/с и погрешность временной синхро-
изации 340 нс.
В качестве контрмеры против режима SA потребители в США
и других странах начали применять методы дифференциальной нави-
гации, основанные на совместной обработке результатов измерений,
полученных в нескольких (по меньшей мере, в двух) разнесённых точ-
рабочей зоны ГНСС (подробнее см. гл. 8). Применение таких
методов позволило снизить погрешность навигационных определений
-дане до уровня единиц метров, т. е. практически свело на нет эффект
- спользования режима SA.
Учитывая низкую эффективность режима SA. Национальная ака-
демия США по государственному управлению и комитет Совета США
по национальным исследованиям предложили в совместно выработан-
197
ной рекомендации незамедлительно выключить режим SA и полностью
деактивировать через несколько лет. Официальный ответ на это пред-
ложение был опубликован в форме президентской директивы, которая
предусматривала прекращение применения SA на 10 лет, чтобы дать
вооружённым силам время и ресурсы, необходимые для полной под-
готовки к работам без SA [33].
Деактивация режима SA была осуществлена 2 мая 2000 г. около
4:00 (UT). Погрешность навигационных определений высоты в мо-
мент выключения режима селективного доступа 2 мая 2000 г. приве-
дена на рис. 7.23.
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.23. Погрешность определения высоты для станции IGS Graz
(Австрия) во время выключения режима селективного доступа 2 мая
2001 г.
Как видно на рисунке, точность автономной навигации возросла
почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных
навигационных технологий. При этом МО США продолжило иссле-
дования в сфере защиты от несанкционированного доступа. Одним
из наиболее перспективных методов защиты от использования откры-
того сигнала противником является создание наземных постановщиков
помех.
Необходимо отметить, что современные политические угрозы
(в первую очередь международный терроризм) инициировали в США
дискуссии о необходимости возврата к использованию режима селек-
тивного доступа.
Услуга точного позиционирования (PPS). Услуга точного по-
зиционирования PPS реализуется посредством излучения всеми НКА
орбитальной группировки GPS навигационных радиосигналов в диа-
пазонах L1 и L2, модулированных дальномерным Р(У)-кодом.
Услуга PPS предназначена для использования исключительно во-
оружёнными силами США, федеральными агентствами США и воору-
жёнными силами некоторых союзников. Как было сказано выше, пред-
ставляется проблематичным сравнивать характеристики услуг только
по погрешностям навигационных определений по горизонтали и вер-
198
* •• кали. Чтобы исключить неправильное толкование результатов, про-
блему следует рассматривать более широко, поэтому представляется
: азумным констатировать, что точность, доступная потребителям PPS,
. логична точности, доступной потребителям SPS при отсутствии ре-
жима преднамеренной деградации SPS, известного как селективный
туп (см. далее).
Точностные характеристики услуги точного позиционирования
Погрешность навигационных определений Уровень вероятности, %
По горизонтали 22 м .......................... 98,2
По вертикали 27,7 м .......................... 95
Временная синхронизация 200 нс................ 95
По скорости 0,2 м/с .......................... 95
Средством защиты санкционированных потребителей PPS от ими-
тааионных («уводящих») помех является режим anti-spoofing (AS),
•воляющий изменять структуру модулирующей последовательности
/чае применения таких помех.
Технически режим AS реализуется путём нелинейного преобразо-
вания P-кода с использованием некоторого дополнительного W-кода,
езультате формируется новая ПСП, получившая название У-код.
стерство обороны США не уведомляет потребителей о переходе
- режим AS, равно как и о его деактивации. Защита военных сигналов
в данном режиме действует с 31 января 1994 г.
7.2.4. Орбитальная группировка
Штатная орбитальная группировка GPS состоит из 24 основных
НКА. расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых ла-
некими буквами от А до F. Дополнительно на некоторых орбитах
м --т находиться один или два резервных НКА, предназначенных
хжя сохранения параметров системы при выходе из строя основных
НКА (рис. 7.24). Наклонение орбитальных плоскостей Ф = 55°; дол-
готы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20200 км
. ' тствует период обращения Т = 12 ч 00 мин, т. е. орбиты НКА
S вляются синхронными.
Штатный состав орбитальной группировки позволяет в любой точ-
ье умного шара наблюдать от четырёх до восьми НКА одновременно
маске по углу места 15°). Если маска угла места уменьшается
л 10\ то время от времени будут видны 10 спутников; а если маска
- лишения уменьшается до 5°, то возможны интервалы, в которые
НАП может осуществлять навигационные определения по 12 НКА.
гав орбитальной группировки GPS по состоянию на февраль
- . приведён на рис. 7.24.
• к видно на рисунке, в настоящее время используются четыре
кжоления НКА-Block ПА, Block IIR, Block IIR-M и Block IIF, —
Леспечивающие различное время автономной (без контакта с ЦУС)
ты. Актуальные данные о составе орбитальной группировки GPS
7.2. NAVSTAR/GPS
199
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.24. Состав орбитальной группировки GPS на февраль 2014 г.:
- Block ПА; Л - Block HR; Л - Block IIR-M; • - Block IIF
и других ГНСС на любой момент времени имеются на сайте
СДКМ [34].
Продолжительность автономной работы
без контакта с ЦУС
Блок Продолжительность, дней
I ................ 3-4
II ............... 14
ПА ............... 180
IIR .......... Менее 180
IIF .............. 180
7.2.5. Наземный комплекс управления
Наземный комплекс управления GPS включает в себя основной
(авиабаза Шривер, шт. Колорадо) и запасной (авиабаза Ванденберг,
шт. Калифорния) ЦУС, четыре стационарные (рис. 7.25) и одну мо-
бильную закладочно-измерительную станцию, сеть станций слежения
и центр обслуживания. Задачами НКУ являются слежение за НКА,
прогноз эфемерид и частотно-временных поправок, синхронизация
шкал времени системы и НКА, загрузка навигационной информа-
ции на борт НКА. Наземный комплекс управления также реализует
управление режимами работы НКА, например включает или выклю-
чает режим селективного доступа.
В составе НКУ насчитывается 16 станций слежения: шесть стан-
ций слежения расположены в экваториальной зоне на базах Военно-
воздушных сил (ВВС) США. Остальные 10 станций принадлежат
Национальному агентству геопространственной разведки (National
Geospatial intelligence Agency — NGA). Подобное размещение станций
обеспечивает глобальное сопровождение НКА орбитальной группи-
200
Гренландия
о. Вознесения
Буэнос-Айрес
1ИНГТОН
Канаверал
Эрмитах'
Нью-Бостон
:эрбанкс
.ерберг
Манама^|
о Гавайи
а. Диег
‘-Гарсия
о. Таити
Аделаида
V Претория
Осан
-о-Гуам-
’еньЙуиС-4
° * Ваш
Шрайвер «Дмыс
Веллингтон
Кито^7
160° 180°
Рис. 7.25. Наземный комплекс управления GPS:
-ЦУС (База ВВС Schriever); Q — запасной ЦУС (База ВВС Vanderberg); о —станция
я ЦУС; • — станция слежения НГР; ф — закладочно-измерительная станция; ф —
-'тззапросные станции GPS L-диапазона; ф — запросные станции GPS L-диапазона
ки, а при развёртывании межспутниковой линии связи — и мгно-
ioe обновление навигационной информации, передаваемой с борта
А.
каждая станция слежения Т-диапазона представляет собой безза-
сный многочастотный измеритель, оборудованный атомным стан-
т м частоты и сопряжённый с метеорологической станцией
’ 26).
Рис. 7.26. Антенна беззапросной измери-
тельной станции НКУ GPS
7.2. NAVSTAR/GPS
.-. числительный комплекс станции слежения на основе совмест-
< работки отсчётов псевдо дальности и фазы, вырабатываемых
иодичностью раз в 1,5 с, данных о состоянии ионосферы и метео-
тческой информации формирует 15-минутные отсчёты, которые
201
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
передаются в ЦУС для формирования эфемерид и частотно-времен-
ных поправок.
В составе НКУ GPS функционируют четыре закладочно-изме-
рительные станции закладки (на о. Вознесения (Южная Атлантика),
Диего-Гарсиа (Индийский океан), Кважалейне (северная часть Тихо-
го океана) и на мысе Канаверал (Флорида)), которые закладывают
на борт НКА команды управления, эфемериды и частотно-времен-
ные поправки, данные альманаха орбитальной группировки, а так-
же принимают телеметирическую информацию и измеряют дальность
до НКА. Управление и закладка информации на НКА выполняются
по радиолинии в 5-диапазоне. Первоначально загрузка информации
на каждый спутник осуществлялась 1 раз в 8 ч; затем периодичность
загрузки сократилась до 1 раза (максимум 2 раза) в день. В настоя-
щее время в соответствии с новой стратегией информация на каждом
НКА обновляется 3 раза в сутки. В случае выхода НКУ из строя
НКА орбитальной группировки в состоянии автономно поддерживать
заданные точностные характеристики в течение определённого време-
ни (см. выше).
7.2.6. Параметры и структура сигналов и сообщений
Ниже приведён полный список навигационных радиосигналов си-
стемы GPS в соответствии с утверждёнными JPO терминами. К 1995 г.
полностью развёрнутая орбитальная группировка GPS формировала
навигационное поле с помощью радиосигналов в диапазонах L1 и L2.
Диапазоны L3 и L4 использовались для передачи сообщений систе-
мы засечки ядерных взрывов в интересах МО США. Под влиянием
времени и растущих потребностей различных категорий потребителей
в настоящее время проводится масштабная программа модерниза-
ции GPS, которая в первую очередь направлена на введение новых
навигационных сигналов с улучшенными корреляционными свойства-
ми, повышенным уровнем сигналов, более информативной структурой
цифровой информации, высокой точностью измерения псевдодально-
сти и помехоустойчивости. При этом модернизация затрагивает как
гражданские, так и военные сигналы.
Обозначения и термины системы сигналов GPS
L1 Радиолиния 1 — несущая частота 1 575,420 МГц
L2 Радиолиния 2 — несущая частота 1 227,600 МГц
L3 Радиолиния 3 — несущая частота 1 381,050 МГц
L4 Радиолиния 4 —несущая частота 1 379,913 МГц
L5 Радиолиния 5 —несущая частота 1 176,430 МГц
С/А Грубый код
Р(К) Точный код; Y-код заменяется на P-код в режиме защиты от уводящих
помех
М Военный код
L/C Гражданский код на L1
202
2(. Гражданский код на £2; общее обозначение сигнала в диапазоне £2,
который включает некоторые комбинации сигналов С/'A. L2CM и L2CL
И Код последовательности средней длины на £2С
-Z.CL Код длинной последовательности на £2С
5 VI Гражданский код на £5; общее обозначение для гражданского сигнала
в диапазоне £5, который включает две квадратуры £5/ и £5Q
Синфазная составляющая сигнала в диапазоне £5
L3Q Квадратурная составляющая сигнала в диапазоне £5
Нестандартные коды
В данном перечне отсутствуют сигналы командно-измерительной
с .темы в S-диапазоне по причине использования их только в слу-
- ных целях.
Потребителю новые возможности системы GPS стали доступны
с момента запуска НКА Block IIR-M, который излучает гражданский
- шигационный радиосигнал в диапазоне £2, а также два военных сиг-
-.. а в диапазонах £1 и £2. Однако с учётом темпов обновления НКА
в 'рбитальной группировке новые сигналы станут доступными для гло-
бального использования только через несколько лет. Рисунок 7.27
. .-юстрирует историю развития ансамбля навигационных радиосиг-
налов GPS. В ходе модернизации GPS вводится третья несущая ча-
стота в ансамбль навигационных радиосигналов, а также расширяется
• личество видов сигналов на остальных несущих. В таблице 7.6 обоб-
аены все виды и диапазоны навигационных радиосигналов перепек-
«вной GPS, которые представлены графически на рис. 7.27. Ниже
введено описание как существующих, так и перспективных радио-
алов.
Все излучаемые навигационные радиосигналы имеют правую кру-
говую поляризацию. Девиация поляризации реальных сигналов отно-
. стельно абсолютной круговой поляризации не превышает 3,2 дБ.
При формировании навигационного поля особую важность име-
ет фазовая и кодовая синхронизация, а также синхронизация шкал
времени различных НКА, входящих в состав орбитальной группи-
ровки. Задержка сигналов в передающей бортовой аппаратуре между
стандартом частоты и передающей антенной (групповая аппаратная
,'.ржка) должна учитываться при формировании частотно-времен-
кых поправок на борту НКА. Погрешность оценки данной групповой
йиержки для любого НКА с вероятностью 95 % не должна превы-
• 3,0 нс.
Несущие частоты. Все навигационные радиосигналы и такто-
е частоты на борту НКА формируются из единой опорной частоты
= 10,23 МГц, генерируемой атомным стандартом частоты С це-
о компенсации релятивистского эффекта номинал несущей частоты
уменьшается на величину Д/ ~ 4,5674 • 10-3 Гц. Параметры радиосиг-
налов системы GPS приведены в табл. 7.7. Необходимо отметить, что
используемые диапазоны частот помимо радионавигационных систем
.пользуются для решения задач радиолокации и передачи данных.
7.2. NAVSTAR/GPS
203
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Спектральная плотность мощности, дБ • Вт / Гц
-220
Традиционные сигналы —
-230
-240
-250
-220
Сигналы, излучаемые
с декабря 2005 г.
-230
-240
-250
Таблица 7.6
Навигационные радиосигналы GPS
Диапазон Сигнал Длительность кода ПСП, символы Тактовая частота, МГц Вид модуляции Ширина полосы частот, МГц Скорость передачи ЦИ, бит/с / симв./с
L\ С/А 1 023 1,023 ФМ-2 2,046 50/50
Р ~ 7 дней 10,23 ФМ-2 20,46 50/50
М Нет данных 5,115 ВОС(Ю, 5) 30,69 Нет данных
l\cd 10230 1,023 ВОС(1, 1) 4,092 100/50
L\CP 10230- 1 800 1,023 ТМВОС(6, 1, 1/11) 4,092 Пилот-сигнал
L2 Р ~ 7 дней 10,23 ФМ-2 20,46 50/50
L2C М: 10230 1,023 ФМ-2 2,046 50/25
М L: 767250 Нет данных 5,115 ВОС(Ю, 5) 30,69 Нет данных
Л5 Lbl 10230-10 10,23 ФМ-2 20,46 100/50
L5Q 10230-20 10,23 ФМ-2 20,46 Пилот-сигнал
7.2. NAVSTAR/GPS
Диапазон L2 выделен для использования навигационных, граждан-
ских и военных радиолокационных систем. В диапазоне L5 излучаются
гражданские радиосигналы передачи данных и измерения дальности.
Таблица 7.7
Параметры радиосигналов GPS
Диапазон Коэффициент /о Частота, МГц Длина волны, см Выделенная МСЭ полоса частот, МГц
l\ 154 1 575,42 19,0 24
L2 120 1 227,60 24,4 24
L5 115 1 176,45 25,5 23
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Мощность бортовых передатчиков составляет около 50 Вт (мо-
жет несколько различаться для разных модификаций НКА). При этом
мощность сигнала, принимаемого на земной поверхности под углом
места 5° изотропной линейно поляризованной антенной с коэффици-
ентом усиления +3 дБ, составляет —166 ... — 160 дБ Вт. Многие пара-
метры сигналов GPS (потери на неидеальность модуляции и фильтра-
ции, мощность внеполосного излучения, фазовые шумы) практически
совпадают с параметрами ГЛОНАСС. Существенно различается лишь
уровень внутрисистемных помех: для используемых в сигналах стан-
дартной точности GPS кодов Голда длиной 1 023 элемента уровень
первого бокового лепестка составляет —21,6 дБ относительно макси-
мума АКФ. Иными словами, уровень внутрисистемной помехи в GPS
на 27 дБ выше, чем в ГЛОНАСС.
Структура навигационных сигналов и сообщений. Несущие ча-
стоты сигналов НКА модулированы дальномерными ПСП и цифровой
навигационной информацией. В GPS применяется метод многостан-
ционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР). В англо-
язычной литературе данный метод разделения сигналов называется
Code Division Multiple Access (CDMA). МДКР означает, что все НКА
излучают навигационные радиосигналы на одной частоте, но модули-
руются каждый своей индивидуальной ПСП.
Структура радиосигналов НКА GPS первых поколений описыва-
лась относительно простыми уравнениями:
Sli(O = AiCp(t)D(t) cos(<W) + A2CC/A(t)D(t) sin(cW);
SL2(t) = A3Cp(t)D(t) cos(a>L2t),
где Aj — амплитуда сигнала; Cp(t) — модулирующая дальномерная
ПСП P-кода; Сс/л(О — модулирующая дальномерная ПСП кода С/А;
D(Г) —последовательность символов цифровой навигационной ин-
формации; сод, — круговая частота несущих колебаний соответству-
ющего диапазона.
Схема формирования радиосигнала в диапазоне Li, согласно фор-
муле (7.1), представлена на рис. 7.28. Схема формирования дально-
мерной ПСП С/А-кода проиллюстрирована на рис. 7.29. Этот код
206
представляет собой 1023-битовую ПСП, тактируемую с частотой
1,023 МГц, т. е. имеющую период повторения, равный 1 мс
(см. табл. 7.7).
Рис. 7.28. Схема формирования сигнала GPS в диапазоне L1
Рис. 7.29. Схема формирования дальномерной ПСП
С/Л-кода
7.2. NAVSTAR/GPS
Индивидуальный код, соответствующий /-му НКА, называемый
кодом Голда, формируется суммированием по модулю 2 двух 10-раз-
207
рядных ПСП Gi(x) и G2(x), причём ПСП G2(x) имеет индивидуальный
для данного НКА сдвиг на фиксированное число символов в диапазоне
от 5 до 950. Образующие полиномы исходных ПСП имеют вид
Gi(x)= 1фх3фх10;
G2(x)= 1фх2фх3ф%6фх8фх9фх10.
Для формирования P-кода используется тот же принцип, однако
алгоритм оказывается более сложным (рис. 7.30).
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.30. Схема формирования дальномерной ПСП P-кода GPS
ПСП для P-кода формируется суммированием по модулю 2 двух
тактируемых с частотой 10,23 МГц ПСП:
Xi (0 и X2(t-/T),
208
де Т = 1/1,023- 107 —период следования разрядов P-кода; j — целое
число в интервале от 1 до 37, соответствующее номеру НКА. Таким об-
?азом, генерируется 37 уникальных последовательностей В свою
очередь Х](/) образуется сложением по модулю 2 двух ПСП: АДА)
1 Vi (В), формируемых на выходе 12-разрядных регистров сдвига в со-
-ветствии с образующими полиномами вида
АДА) =
Xi(B) = 1 фх1 ф?®?®?®?©?0©?1®?2.
При этом реинициализация (сброс в начальное состояние) регистра
АДА) производится после выдачи 4 092 бит, т. е. последние три бита
полной (4 095-битной) последовательности отбрасываются. Аналогич-
но реинициализация регистра Х[(В) производится после выдачи 4093
бит, т. е. с отбрасыванием двух последних бит. В результате для каж-
дого укороченного таким образом кадра ПСП Х[ фаза последователь-
ности АДР) сдвигается на один бит относительно последовательности
Ai(A). Этот процесс продолжается до тех пор, пока число укорочен-
х кадров не достигнет 3 750, после чего генерируется признак конца
-похи А], равной 1,5 с, и происходит реинициализация регистров АДА)
АДР). За одну эпоху генерируется 15345000 разрядов ПСП АД/).
Термин «эпоха» здесь используется в смысле «период».
Аналогично формируется ПСП Х2, при этом образующие полино-
мы для слагаемых А2(А) и А2(Р) имеют следующий вид:
А2(А) = ^х’фх3©*4®*5®/®^9®*10®*11 фх12;
Х2(В) = 1 ©х2©х3фх4©х8фх9фх12.
Кадры ПСП Х2(А) и Х2(В) укорочены аналогично кадрам Ад (А)
АДР), соответственно эпоха А2, так же как эпоха Х\ длится 1,5 с
включает в себя 3 750 кадров.
Дискретные «биения» (прецессии) сигналов на выходах регистров
А1(Р), Х2(А) и Х2(В) относительно регистра АДА) продолжаются
тех пор, пока не закончится последний кадр АДА) на интервале
’•.кущей недели GPS. В этот момент все четыре регистра реинициа-
изируются и формируется первый разряд новой недельной последо-
дельности P-кода. Более детально процесс формирования Р-кода
писан в литературе [10]. При отсутствии априорной информации
синхронизировать по этому сигналу НАП из-за большой длины его
периода практически невозможно. Как правило, синхронизация проис-
ходит в два этапа: вначале НАП принимает открытый навигационный
сигнал С/А, а затем, после временной синхронизации, приёма эфе-
'.’ерид и первых навигационных определений, НАП переключается
на P-код. Прямое обнаружение и работа с сигналом, модулирован-
. м P-кодом, возможно только при наличии у потребителя точной
формации о времени, его положении и НКА, вошедших в рабочее
звездие.
7.2. NAVSTAR/GPS
209
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Состав информации, передаваемой в НС GPS, сходен с составом
НС ГЛОНАСС: в нём содержатся информация об эфемеридах НКА,
альманах созвездия НКА, частотно-временные поправки, метки вре-
мени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности
бортовой аппаратуры НКА и др. Однако общий объём передавае-
мой информации в 5 раз больше, чем для ГЛОНАСС, и составляет
37 500 бит. Этот массив информации называют суперкадром.
Информационная последовательность передаётся кадрами емко-
стью 1 500 бит и длительностью 30 с. Один кадр делится на субкадры
(строки) длительностью 6 с, содержащие 10 слов по 30 бит каждое.
В одном кадре передаётся 1/25 всего альманаха. Поэтому переда-
ча всей информации альманаха занимает 12,5 мин. Соответственно
время «холодного» старта АП GPS оказывается больше, чем для
ГЛОНАСС.
Более детально структура НС и способы его использования
описаны в соответствующих интерфейсных контрольных докумен-
тах [35].
Новый гражданский радиосигнал в диапазоне L2 был разработан
для удовлетворения возросших потребностей гражданских потребите-
лей. Данный сигнал формируется путём комбинирования двух кодовых
последовательностей — L2CM и L2CL. Код L2CM насчитывает 10230
символов и имеет период 20 мс, код L2CL в 75 раз длиннее, насчи-
тывает 767250 символов и имеет период 1,5 с. Коды L2CL и L2CM
являются сбалансированными кодами с аналогичным числом единиц
и нулей. Обе последовательности формируются от общей тактовой
частоты 511,5 кГц. Кодовая последовательность L2CM модулируется
цифровой информацией, имеющей тактовую частоту 25 Гц, код L2CL
не модулируется (является пилот-сигналом). Оба кода мультиплици-
руются и образуют последовательность L2C, которая используется
для модуляции несущей частоты. Подобный подход обеспечивает вза-
имную корреляцию сигналов НКА на уровне — 45 дБ [23].
С запуском НКА Block IIR-M началось применение новых воен-
ных сигналов, получивших обозначение 2И-код. Основными характе-
ристиками данного кода, использующего ВОС-модуляцию, являются
более высокая помехозащищённость, повышенная точность навигаци-
онных определений, более высокая степень безопасности, основанные
на новых алгоритмах криптозащиты и возросший уровень излучаемой
мощности. Значительное различие между спектром сигнала с М-кодом
(см. рис. 7.27) обеспечивает низкий уровень их взаимной корреляции.
Кроме того, 7И-код позволяет военным потребителям проводить син-
хронизацию непосредственно, а не через гражданские сигналы, как это
происходит с Р-кодом.
Необходимо напомнить, что за указанные преимущества ВОС-мо-
дуляции приходится расплачиваться усложнением схем слежения,
поскольку АКФ таких сигналов имеет многомодальный характер
(см. гл. 4).
210
7.2.7. Перспективы развития системы GPS
Как это ни парадоксально, одной из основных проблем, сдержи-
=<j>-.iuhx развитие GPS, оказался длительный САС уже запушенных
~КА. Начавшуюся с запуска НКА Block IIR-M масштабную мо-
. рнизацию, целью которой является полное обновление орбитальной
группировки, что позволит использовать новые сигналы L2C и М, пла-
нируется завершить не ранее 2025 г. (рис. 7.31).
2005 2010 2015 2020 2025
Орбитальная группировка
GPS IIR(M) ДУ /У
ДД GPS IIF
GPS III
Наземный комплекс управления
Существу- План развития ющий архитектуры сегмент (АЕР) оператив- ного уп- равления Следующее поколение системы оперативного управления (OCX)
Рис. 7.31. Программа модернизации GPS
В мае 2008 г. компания Lockheed Martin Space Systems заклю-
, ла с ВВС США договор на создание следующего поколения НКА
Block III (рис. 7.32). Успешная защита эскизного проекта на данный
' IKA в августе 2010 г. позволила приступить к изготовлению первого
пытного образца, который должен быть готов к запуску в 2014 г.
Договор с ВВС США предусматривает создание опытного образца
НКА Block III для проведения наземной экспериментальной отработ-
и двух НКА для лётных испытаний, а также опцион на изготовление
до 10 серийных НКА. В 2012 г. ВВС США Lockheed Martin и ВВС
?ША подписали дополнительное соглашение на изготовление первых
авух НКА за 238 млн долл. США. Общая производственная програм-
ма предполагает изготовление и выведение на околоземные орбиты
2 НКА данного типа.
Основными партнёрами Lockheed Martin по программе GPS III
являются разработчик навигационной полезной нагрузки ITT, изго-
товитель оборудования связи и передачи данных General Dynamics,
а также большое количество прочих поставщиков электронной ком-
онентной базы.
Основной задачей НКА Block III является предоставление на-
вигационных услуг с помощью нового навигационного радиосигнала
1С и повышение точности ЭВИ, доступности навигационного радио-
сигнала, мощности излучения, а также увеличение САС. В соответ-
ствии с действующими планами НКА Block IIF должны сменить НКА
Block ПА, НКА Block III придут на смену Block IIR. Кроме того, НКА
7.2. NAVSTAR/GPS
211
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.32. Навигационный космический аппарат GPS Block ША
Block III будут способны передавать навигационные радиосигналы,
соответствующие номерам дальномерных кодовых последовательно-
стей 38—63, что позволит и дальше увеличивать количество НКА,
используемых по целевому назначению. Структурная схема бортовой
аппаратуры НКА Block III приведена на рис. 7.33, а состав аппарату-
ры — на рис. 7.34.
В состав НКА входят следующие модули и системы [36]:
• модуль навигационной полезной нагрузки (Navigation Payload El-
ement — NPE);
• модуль системы связи и передачи данных (Network Communica-
tions Element — NCE);
• модуль полезной нагрузки специальных систем (Hosted Payload
Element — НРЕ);
• антенная подсистема (Antenna Subsystem Element—ASE);
• платформа НКА и служебные подсистемы (Space Vehicle Bus
Element).
Модуль навигационной полезной нагрузки состоит из компьютера
управления, включающего формирователи навигационных радиосиг-
налов, передатчиков навигационных радиосигналов в диапазонах £1,
£2, £3 и £5 и атомных стандартов частоты. Каждый НКА Block III
имеет три штатных рубидиевых генератора, в дополнение к которым
предусмотрена установка ещё одного экспериментального стандар-
та, например водородного генератора. Модуль системы связи и пе-
редачи данных включает подсистему межспутниковой связи, бортовой
цифровой коммутатор для доведения команд и сбора телеметриче-
ской информации и взаимодействия с наземными средствами. Модуль
полезной нагрузки специальных систем состоит из оборудования, по-
212
Бортовая навигационная полезная nai рузка
Двигательная
установка
Ка>^ ли
Привод
управления
солнечными
батареями
Многополосный фильтр
диапазонов L1, Z2, L5
Фильтр L3
т
Передатчик
диапазона 1Л
Передатчик
диапазона L2
Передатчик
диапазона L5
< истема
герморегули
рования
Система
ориентации
м стабилизации
Передатчик
диапазона L3
Бортовая
аппаратура
специального
назначения
Атомный
стандарт
частоты
Система
‘лектро-
питания
Командно-
измерительная
система
Шина 15536
I
Бортовой
компьютер
Модуль межспутниковой связи
Шина 15535
Расшир. иная
подсис!сма
меже пути ковой
СВЯЗГ
Шина 15536
Рис. 7.33. Структурная схема бортовой аппаратуры НКА Block III:
Формиро-
ватель
— радиочастотные линии;
— аналоговый интерфейс;
— информационная шина 15536,--------*- — сигналы времени;
-> — цифровой интерфейс;--------> — сигналы низкого уровня;
— альтернативная шина данных
7.2. NAVSTAR/GPS
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Аппаратная Антенная панель
платформа (+Z) Модуль
Панель навигационного
бортового модуля (-У)
Мультиплексор
Передатчики
(LI, L3, L5)
Модуль времени
и частоты
Панель
солнечной батареи
Структурное ядро
Топливный бак Я
(внутренний)
Электроника
солнечного
сенсора (2)
Приемная антенна
подсистемы телеметрии,
слежения и управления
(S'-диапазон)
Сенсоры
Антенна
S'-диапазона
Пространство для дополнительного
атомного стандарта частоты
Баки с окислителем (2)
Узел пиропатронов
8
Складная
антенна (-Х)
„ л ----Солнечные сенсоры (4)
Панель модулей служебных систем, \ г
сетевых коммуникаций и спецсистем (+У) Жидкостный маршевый двигатель
Модуль времени
и частоты
Процессор
Процессор
Гироскоп
Процессор
Цифровой
коммутатор (2)
Аккумуляторы NiHi
Защитные панели
Рис. 7.34. Состав бортовой аппаратуры НКА Block III:
— навигационное оборудование; — сетевые коммуникации;
— структурный модуль;
телеметрия, слежение и управление; I — энергообеспечение;
— модуль спецсистем;
— антенный модуль;
— модуль контроля ориентации;
— двигательная установка
ставляемого правительственными организациями. Антенная система
?.<тючает антенную решётку A-диапазона, антенны S- и УКВ-диа-
газонов. Служебными системами платформы являются подсистема
электропитания, подсистема терморегулирования, командно-измери-
тельная подсистема, система ориентации и стабилизации.
Тактико-техническими требованиями на Block III предусматрива-
ется 12-летний срок использования НКА по целевому назначению при
15-летнем САС. Навигационный ансамбль радиосигналов включает
старые радиосигналы L\ С/А, LI P(Y) и L2 P(Y), модернизированные
: адиосигналы Z.17W, L2C и L2M, а также новые гражданские радио-
игналы Lb и L1C.
С целью повышения качества навигационного обеспечения во-
оружённых сил на театрах военных действий почти на 5 дБ должна
<ыть повышена мощность военных М-сигналов на поверхности Зем-
ли (до —153 дБ Вт против —158 дБ Вт, обеспечиваемых НКА IIR
IIF).
Точность является важнейшим критерием оценки качества нави-
гационного обеспечения. Требования к погрешности эфемеридно-вре-
менного обеспечения (ЭВО) на любом суточном интервале для НКА
Block II составляли 3,5 м, для НКА Block IIR — 2,2 м, для НКА
Block IIF —3 м. Новый НКА Block III должен обеспечить погреш-
ность ЭВО менее 1 м.
Основными задачами модернизации НКУ GPS являются сокра-
щение издержек производства и улучшение характеристик системы.
Предполагается, что основные усилия будут сосредоточены в следую-
щих направлениях:
• модернизация БИС и оборудования пунктов слежения за сигна-
лами НКА GPS;
• замена вычислительных комплексов основного ЦУС;
• проведение работы по модернизации структуры НС с целью об-
щего повышения точности навигационных определений по сигналам
НКА орбитальной группировки GPS;
• расширение функциональных возможностей НКУ для управле-
ния возросшим числом НКА и НКА новых поколений;
• дополнительный мониторинг гражданских радиосигналов.
Как отмечалось выше, для потребителей модернизация GPS озна-
чает появление новых навигационных сигналов L5C и LIC. Сигнал
L5C был разработан специально для приложений критически важных
для безопасности человека, в первую очередь гражданской авиации.
Данный сигнал имеет две квадратуры L5I и LbQ, каждая из которых
представляет ФМ сигнал на несущей частоте 1 176,45 МГц.
Дальномерные ПСП обеих квадратур формируются посредством
13-битового регистра, в котором каждый НКА имеет свой индиви-
дуальный код начального состояния. Помимо дальномерной ПСП
Lbl модулирована цифровой информацией навигационного сообще-
ния, a L5Q является пилот-сигналом.
7.2. NAVSTAR/GPS
215
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Для снижения влияния узкополосных помех сигналы на обеих
квадратурах дополнительно модулируются синхронизирующими по-
следовательностями Ньюмана — Хоффмана длительностью 10 и 20 мс
соответственно.
Таким образом, сигнал L5C обладает улучшенными корреляцион-
ными свойствами, а в сочетании с большей мощностью излучения —
и повышенной помехоустойчивостью.
В более отдалённой перспективе в системе GPS будет реализо-
ван сигнал LAC. США предлагают всем странам — владельцам ГНСС
(России, Евросоюзу, Японии и др.) реализовать сигнал LAC на борту
своих НКА. К моменту написания данной книги подобные договорён-
ности были достигнуты только с ЕС и Японией. При этом на этапе
обсуждения параметры сигнала претерпели определённые изменения.
Поэтому рассматриваемый ниже вариант радиосигнала L1С является
неокончательным и может отличаться от того, что будущий читатель
обнаружит в И КД.
Предполагается, что сигнал 1ЛС будет иметь две компоненты —
канал данных Л1Ср и пилот-сигнал LACp, расположенные на двух
квадратурах сигнала с несущей частотой 1 575,42 МГц. Обе компо-
ненты будут модулированы дальномерной ПСП длительностью 10230
символов, а пилот-сигнал ещё дополнительно модулируется вторич-
ным кодом длиной 1 800 символов.
По соглашению между правительством США и Европейским сооб-
ществом принято решение применять модуляцию ТМВОС(6,1,1/10),
при этом большая часть энергии в данном сигнале достанется пилот-
сигналу (75%), а оставшиеся 25 % будут использованы для канала
передачи данных.
Модернизация GPS позволит существенно повысить качество НВО
значительной части потребителей за счёт внедрения новых нави-
гационных радиосигналов, которые помимо уже упомянутой более
высокой помехозащищённости предоставят дополнительные возмож-
ности по компенсации ионосферных задержек за счёт использования
измерений на двух и трёх частотах, а также возможности оценки ПФН
фазовых измерений многошкальными методами. Использование ши-
рокополосных сигналов позволит снизить аппаратурную погрешность
ИТНП, что также положительно скажется на повышении точно-
сти НВО.
7.3. Galileo
7.3.1. История создания
Осознавая важность спутниковой навигации в развитии экономики,
также в обеспечении безопасности государств Евросоюза, Европей-
ское космическое агентство (ЕКА) начиная с 1980-х годов изучало
вопросы создания спутниковых навигационных систем. В 1994 г. стра-
ны ЕС приняли концепцию, в которой определили роль спутниковой
навигации для создания трансъевропейских транспортных, телеком-
муникационных и энергетических сетей.
Поскольку ЕС в данной сфере догоняет Россию и США, то поми-
мо знакомства с существующим опытом эксперты ЕКА изучали воз-
можность использования для навигации технологии многостанционно-
го доступа с временным разделением каналов, называемого в англо-
язычной литературе Time Division Multiple Access (TDMA), а также
создания орбитальной группировки из КА, которые бы без обработ-
ки ретранслировали сигналы земных станций, упрощая таким образом
бортовую аппаратуру.
Можно считать, что европейская программа по созданию ГНСС
официально была утверждена в том же 1994 г., когда Европейский со-
вет потребовал от Европейской комиссии предпринять шаги по разви-
тию информационных технологий, включая и спутниковую навигацию.
Было принято решение развивать два направления.
Первое из них — создание систем функциональных дополнений су-
ществующих ГНСС GPS и ГЛОНАСС. Эта программа, получившая
название European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS),
подробно рассмотрена в подразд. 8.4.3.
Второе направление заключалось в создании собственной ГНСС,
предназначенной для гражданского применения и построенной на прин-
ципах государственно-частного партнёрства. В 1999 г. Европейский
проект по созданию ГНСС получил условное название Galileo в честь
итальянского астронома Галилео Галилея (см. введение).
7.3. Galileo
217
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Необходимо отметить, что, прежде чем принять окончательное ре-
шение о создании собственной ГНСС, ЕС вёл длительные перего-
воры с Россией и США о возможности совместного использования
или ГЛОНАСС, или GPS. В частности, один из сценариев предпола-
гал установку на борт НКА системы ГЛОНАСС бортовой полезной
нагрузки Galileo. Однако данное решение не устроило Российскую Фе-
дерацию.
В мае 1999 г. Совет министров ЕКА одобрил начало работ по тех-
нико-экономическому обоснованию проекта Galileo, контракт на вы-
полнение данных работ был подписан уже в декабре 1999 г. Общая
стоимость программы Galileo (до 2014 г.) оценивалась в 3,4 млрд евро.
Учитывая имевшиеся оценки выгоды от использования Galileo, с са-
мого начала проекта предполагалось использовать государственные
вложения (около 1 млрд евро) лишь для разработки и проведения лёт-
ных испытаний системы (4 НКА в орбитальной группировке). Однако
в связи с тем что до 2007 г. частные инвестиции привлечь не удалось,
Европейская комиссия приняла решение взять расходы на себя [14].
В настоящее время объявлен конкурс на создание составных частей
системы.
Программа развития Galileo реализуется в четыре этапа [37],
(рис. 7.35):
1) проектирование;
2) разработка документации и проведение предварительных испы-
таний;
3) развёртывание системы;
4) эксплуатация.
Первый этап (стоимостью 100 млн евро) был направлен на раз-
работку облика системы, планирование и определение задач; второй
этап (стоимостью 1,5 млрд евро) предусматривал запуск двух опытных
спутников и развитие инфраструктуры НКУ
Первый экспериментальный спутник системы Galileo был достав-
лен на космодром «Байконур» 30 ноября 2005 г. 28 декабря 2005 г.
в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат
GIOVE-A был выведен на расчётную орбиту высотой 23222 км с на-
клонением 56°. Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина
1,2 м, диаметр 1,1м (рис. 7.36).
Основная задача GIOVE-A состояла в оценке точностных харак-
теристик навигационных радиосигналов Galileo во всех частотных диа-
пазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспери-
ментирования, однако он проработал вдвое дольше.
Второй опытный спутник системы Galileo, GIOVE-B, был запущен
27 апреля 2008 г. и начал передавать сигналы 7 мая 2008 г. (рис. 7.37).
Основная задача программы лётных экспериметов GIOVE-В со-
стояла в тестировании навигационной полезной нагрузки — первого
лётного комплекта подобной аппаратуры. Кроме того, GIOVE-B был
первым спутником, в котором бортовое синхронизирующее устройст-
218
2016
2013
Лётно-конструкторские
испытания
4 НКА и НКУ
2005
Вторая
экспериментальная
платформа
Предварительные
испытания НКА
2003
Экспериментальная
платформа
Проверка
Рис. 7.35. Этапы создания системы Galileo
Развертывание ОГ
до штатного состава
24 (3) НКА
Рис. 7.36. Навигационный космический аппарат GIOVE-A
7.3. Galileo
во пострено на основе пассивного водородного генератора. GIOVE-B
также излучает новый международный навигационный радиосигнал
на частоте 1 575,42 МГц в диапазоне L\ с различными видами модуля-
ции (ВОС, МВОС, СВОС, ТМВОС), из которых был выбран сигнал
МВОС(6,1, 1/11) для использования на серийных НКА Galileo.
В связи с организационными и финансовыми трудностями про-
рабатывался вопрос запуска НКА GIOVE-A2 для сохранения орби-
тального и частотного ресурса системы Galileo, однако Европейская
комиссия сумела найти выход из создавшейся ситуации и в 2011 г.
219
Рис. 7.37. Навигационный космический аппарат GIOVE-B
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
приступила к третьему этапу — фазе лётных испытаний IOV (In-Orbit
Validation) штатных НКА Galileo (рис. 7.38).
Рис. 7.38. Навигационный космический аппарат Galileo
Технические характеристики НКА Galileo
Масса, кг ............................... 700
Срок активного существования, лет ........ 15
Мощность системы электропитания, Вт ... 1 600
Первые два НКА были запущены 20 октября 2011 г. с помощью
ракеты «Союз-СТБ» [37] с космодрома в Куру. Этот запуск был
первым по программе запусков российской ракеты-носителя с фран-
цузского космодрома. Запуск ещё двух НКА состоялся 10 октяб-
ря 2012 г. Первые четыре спутника были изготовлены объединением
EADS Astrium-Thales Alenia Space. После завершения этапа лётных
испытаний на орбиту будут выведены 22 штатных НКА, которые поз-
волят системе предоставлять навигационные услуги в ограниченном
объеме в 2016 г. Более подробно перспективы развития Galileo рас-
смотрены далее.
220
7.3.2. Система координат и шкала времени
Система координат. В системе Galileo используется традицион-
ная геоцентрическая декартова система координат, которая получила
название Galileo Terrestrial Referenfce Frame (GTRF). Эта система ко-
: динат связана с международной наземной системой координат ITRF
и определена таким образом, что её расхождение с ITRF не превышает
3 см с вероятностью 0,95. Для поддержания GTRF создана специаль-
ная геодезическая служба Galileo, которая также обеспечивает участие
чждународного сообщества в определении и поддержании системы
оординат GTRF.
Система времени. Шкала времени системы Galileo (Galileo Sys-
tem Time — GST) — непрерывная атомная шкала времени с постоян-
на! смещением на целое количество секунд относительно междуна-
: дного атомного времени TAI. Со шкалой времени UTC шкала GST
имеет переменное расхождение на целое количество секунд.
Шкала GST поддерживается системой атомных эталонов частоты,
пнованных на активных водородных генераторах, кроме того, систе-
ма синхронизации НКУ Galileo будет получать из Международного
бюро мер и весов информацию о шкале времени ТА1, с тем чтобы
корректировать GST. Согласно техническим требованиям на систему
Galileo, расхождение между GST и TAI не должно превышать 50 нс
. вероятностью 95 %.
Информация о величине расхождения шкалы времени GST отно-
с тельно шкал TAI и UTC будет включена в НС для передачи потреби-
гелям. Время в НС будет передаваться в формате, аналогичном GPS,
в виде номера недели и количества секунд внутри текущей недели. При
>том в НС по сравнению с GPS увеличено число разрядов, предна-
-аченных для передачи информации о номере недели, что позволит
беспечить однозначное измерение времени в течение 4096 недель
।более 78 лет), что больше аналогичного параметра системы GPS,
где интервал однозначности составляет 1024 недели, или 19,5 лет.
Предполагается, что точность временной синхронизации по сигналам
Galileo составит 30 нс с вероятностью 95 % на любом суточном интер-
вале. Отдельным параметром предполагается передавать расхождение
между шкалами времени GPS и GST аналогично тому, как это сделано
ГЛОНАСС.
7.3. Galileo
7.3.3. Услуги Galileo
При проектировании Galileo были выделены четыре основные ка-
-.тории услуг для потребителей:
1) предоставляемые исключительно системой Galileo в мировом
масштабе;
2) предоставляемые системой Galileo и её локальными функцио-
тьными дополнениями;
221
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
3) предоставляемые Galileo и EGNOS и обеспечивающие целост-
ность НВО;
4) предоставляемые Galileo совместно с другими ГНСС.
Исходя из этого были определены технические требования к НКА
Galileo, которые также можно разделить на четыре навигационные
функции и одну функцию по поддержке поисково-спасательных опе-
раций. Требования к навигационным услугам обобщены в табл. 7.8.
Открытая услуга (Open Service —OS) предоставляется потреби-
телям бесплатно. Данная услуга предназначена для массового рынка,
при этом оператор не несёт никаких обязательств по качеству по-
зиционирования, в частности, в составе цифровой информации на-
вигационных радиосигналов отсутствует информация о целостности
навигационно-временного поля Galileo. Тем не менее шесть открытых
радиосигналов на трёх различных несущих частотах позволяют обес-
печить конкурентоспособность данной услуги по сравнению с другими
ГНСС. Необходимо отметить, что часть навигационных радиосигналов
Galileo спектрально совмещены с радиосигналами GPS, что позволяет
обеспечить совместимость и взаимодополняемость GPS и Galileo.
Коммерческая услуга (Commercial Service —CS) предназначена
для компенсации затрат на создание, поддержание и эксплуатацию
системы. Специальные навигационные радиосигналы будут излучаться
во всех диапазонах частот, а цифровая служебная информация будет
подвергаться дополнительному кодированию и передаваться со ско-
ростью до 500 бит/с. Кроме того, оператор системы готов предостав-
лять гарантии качества характеристик навигационных радиосигналов,
а также оказывать услуги передачи данных через навигацинный ра-
диосигнал.
Услуга по обеспечению безопасности жизнедеятельности (Safety-
of-Life Service —SoL) будет реализована на тех же сигналах, что ис-
пользуются для OS, с дополнительной передачей информации о це-
лостности. Информация о целостности будет содержать информацию
о любом сбое в работе системы и оперативно доставляться потре-
бителю в глобальном масштабе. Предполагается, что данная услуга
будет востребована не только в гражданской авиации, где существу-
ют жёсткие требования по оперативности обнаружения и оповещения
о нарушении целостности, но и при судовождении, где нет требований
к оперативности, но существует потребность в данных о целостности,
например при судовождении в прибрежной зоне.
Galileo является не только элементом экономической инфраструк-
туры, но и частью системы коллективной европейской безопасности.
Для решения задач обороны и безопасности странами — членами кон-
сорциума Galileo было принято решение о реализации в системе
услуги, управляемой государством (Public Regulated Service — PRS).
Специальные закодированные помехоустойчивые сигналы в двух ча-
стотных диапазонах позволяют эффективнее работать европейским
органам государственной власти, ответственным за гражданскую обо-
222
Таблица 7.8
Услуги Galileo
Характеристика Открытая услуга Коммерче- ская услуга Услуга для безопасно- сти жизнедея- тельности Услуга, управляе- мая государ- ством
Покрытие Глобальное
Погрешность авигационных определений )5 %)*: одна частота две частоты 15 м / 24 м П; 35 м В 4 м П; 8 м В 4 м П; 8 м В 15 м/ 24 м П; 35 м В 6,5 м П; 12 м В
Погрешность :еменной синхронизации '5 %) 30 нс
Целостность: пороги время тревоги вероятность Реализуется автономными алгоритмами в НАП 12 м П; 20 м В 6 с 3,5 • 10-7 / 150 с 12 м П; 20 м В 10 с 3,5 IO”7 / 150 с
Непрерывность — 10-5 / 15 с
.оступность 99,5 %
ежим доступа Бесплат- ный свобод- ный доступ Контроли- руемый доступ к сигналу и данным Идентифи- кация информации о целостно- сти в данных Контроли- руемый доступ к сигналу и данным
ертификация гарантии доставления ? Tsr — Возможны гарантии Предназна- чены для сертифика- ции и гаранти- рования услуг Предназна- чены для аккредита- ции и гаранти- рования услуг
• Точность: П — в плане, В — по высоте. Точность навигационных определений
Iо одной частоте зависит от используемого частотного диапазона, ионосферная за-
_гржка может компенсироваться либо по двухчастотным измерениям, либо по модели
\ eQuick.
7.3. Galileo
223
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
рону, национальную безопасность и проведение законов в жизнь,
таким, как Европейское полицейское управление или Европейское
управление по борьбе с мошенничеством. Технические параметры PRS
сопоставимы с OS, а также содержат информацию о целостности.
Служба поиска и спасения Galileo (Search And Rescue — SAR)
является вкладом Евросоюза в международную систему КОСПАС —
SARSAT, созданную Россией, США, Францией и Канадой более
20 лет назад для обеспечения космической поддержки международных
гуманитарных операций по поиску и спасению. На борту НКА Galileo
устанавливаются бортовые ретрансляционные комплексы, предназна-
ченные для приёма сигналов о бедствии со специальных радиомаяков
на частоте 406 МГц и без обработки ретранслировать их наземным
станциям КОСПАС — SARSAT. Создание среднеорбитального сег-
мента SAR на базе ГЛОНАСС, GPS и Galileo позволит повысить
оперативность обнаружения терпящих бедствие потребителей. Новое
поколение аварийных буёв, включающих навигационный приёмник,
позволяет повысить точность и оперативность определения координат
морских и воздушных судов с 5 км (95 %) при 10-минутном интерва-
ле наблюдений до единиц метров по мгновенным измерениям. Таким
образом, при планировании поисково-спасательных операций районы
поиска уменьшаются на несколько порядков, что позволяет рацио-
нальней использовать спасательные команды.
7.3.4. Орбитальная группировка
При проектировании структуры орбитальной группировки Galileo
была выбрана стратегия обеспечения наиболее равномерной доступно-
сти НКА по всему земному шару: 6 НКА должны быть видны из любой
точки при маске угла места 10°. Таким образом, в составе орбитальной
группировки будет 27 основных и 3 запасных НКА, распределённых
равномерно в трёх орбитальных плоскостях (рис. 7.39).
Плоскости распределены равномерно по экватору, имеют наклоне-
ние 56°, эксцентриситет е = 0,002, большая полуось а = 29601,297 км
При данных параметрах орбиты период обращения НКА составля-
ет 14 ч 4 мин 45 с, а наземный след НКА полностью повторяется
через 17 периодов, т. е. с периодичностью 10 дней. В каждой плос-
кости девять основых НКА равномерно распределены с шагом 40е
в орбитальной плоскости. Предполагается, что резервный НКА бу-
дет активным, а его переход в штатную точку при выходе какого-либо
НКА из строя займёт около недели.
Основными внешними элементами НКА являются:
• антенная решётка A-диапазона, которая позволяет излучать все
навигационные радиосигналы в полосе частот 1 200... 1 600 МГц;
• антенна системы поиска и спасания, обеспечивающая приём ра-
диосигналов аварийных буёв и ретрансляцию данных сигналов в ре-
гиональные центры спасения;
224
Рис. 7.39. Орбитальная группировка Galileo
• антенна С-диапазона для приёма сигналов с целевой информаци-
ей, включающей частотно-временные параметры БШВ НКА и данные
целостности, которые используются при формировании навигацион-
ного сообщения на борту НКА;
• две антенны S-диапазона, обеспечивающие приём и передачу
телеметрической и командно-измерительной информации для оценки
с 'стояния целевых и служебных систем НКА, а также управления
данными системами при решении целевых задач. Кроме того, ко-
мандно-измерительная система НКА позволяет проводить запросные
и змерения дальности с погрешностью в единицы метров;
• инфракрасные земные датчики и солнечные датчики позволяют
риентировать НКА на Землю, а солнечные батареи — на Солнце;
• лазерные уголковые отражатели обеспечивают возможность оцен-
ки высоты движения НКА запросным методом с помощью специали-
зированных КОС с погрешностью несколько сантиметров. Подобные
измерения проводятся примерно 1 раз в год для уточнения и калибровки
показаний командно-измерительной системы, работающей в S-диапа-
не;
• тепловые радиаторы, отводящие тепло от бортовой аппаратуры
для поддержания их заданной рабочей температуры.
В составе полезной нагрузки особое место занимает бортовое син-
хронизирующее устройство, которое включает четыре атомных этало-
на—два водородных и два рубидиевых. Водородный генератор явля-
ется задающим, поскольку обладает чрезвычайно высокой стабиль-
ностью: при частоте перехода атома водорода 1,4 ГГц погрешность
хранения времени составляет 0,45 нс (СКО) в интервале 12 ч. Руби-
диевый стандарт частоты используется в качестве резерва на случай
выхода водородного генератора из строя и обеспечивает хранение вре-
мени с погрешностью 1,8 нс (СКО) в интервале 12 ч.
7.3. Galileo
225
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
В штатном режиме работают по одному генератору каждого ти-
па. Из опорной частоты водородного генератора формируется сет-
ка опорных частот и секундная метка времени, которая используется
для управления НКА и формирования навигационных радиосигналов.
В случае отказа водородного генератора в качестве опорного колеба-
ния используется сигнал рубидиевого генератора, при этом резервные
комплекты водородного и рубидиевого стандартов частоты переводят-
ся в рабочее состояние. Для выхода новых генераторов на рабочий
режим требуется несколько дней, после чего происходит переключение
на резервный водородный генератор. При этом можно использовать
любой из действующих рубидиевых генераторов.
Навигационная полезная нагрузка по своему составу аналогична
полезной нагрузке НКА ГЛОНАСС и GPS —она обеспечивает фор-
мирование в цифровом виде всего ансамбля навигационных радиосиг-
налов, цифроаналоговое преобразование, перенос спектра на несущие
частоты, усиление и передачу в антенно-фидерное устройство для из-
лучения.
Служебные системы обеспечивают управление электропитанием,
включая приводы солнечных батарей, выдачу указаний и анализ дан-
ных гироскопов, а также анализ и формирование телеметрической
информации для передачи в НКУ-
7.3.5. Наземный комплекс управления
В составе Galileo выделяются два независимых контура —кон-
тур управления НКА (Ground Control Segment) и контур ЭВО НКА
(Mission Control Segment). Создание первого контура осуществляет
компания EADS Astrium, а за развитие контура ЭВО отвечает Thales
Alenia Space France.
В состав контура управления входят два ЦУС (Ground Control
Centers), расположенные в Оберхафнхофене (Германия) и Фучино
(Италия), пять КИС (Telemetry, Tracking and Control Station), де-
вять закладочных станций S-диапазона (Mission Uplink Stations)
(рис. 7.40). Планируется создание третьего ЦУС в Испании, но на мо-
мент написания данной книги решение не принято, поскольку участ-
ники проекта Galileo не согласны финансировать данный проект,
а испанской стороной не завершён процесс выделения необходимых
средств. Круг задач, решаемых ЦУС, аналогичен задачам центров
ГЛОНАСС и GPS (см. разд. 7.1 и 7.2).
Глобальная сеть КИС решает задачи управления НКА. Для свя-
зи с НКА используются 13-метровые антенны S-диапазона. КИС
и ЦУС осуществляют информационный обмен через специализиро-
ванную спутниковую систему сбора и передачи данных. При проек-
тировании данной сети одним из основных критериев было обеспече-
ние минимального времени потери контакта с НКА при выходе одной
из станций из строя [37].
226
i । ?
Земля Адели
60” 80” 100” 120” 140” 160” 180”
Рис. 7.40. Первая очередь наземного комплекса управления Galileo:
• — станции слежения; • — станции закладки; о — командно-измерительные станции; □ — цен-
тры управления
Максимальные перерывы в связи
между НКА и КИС Galileo
Максимальный
Станция перерыв в связи,
7.3. Galileo
мин
Кируна ...................... 193
Куру......................... 265
Нью Нордика ................. 130
Папеэте ..................... 361
Реюнион...................... 186
Контур ЭВО включает в себя глобальную сеть из 30 станций
слежения с известными координатами, равномерно распределённую
поверхности Земли. В 2013 г. было развернуто 16 станций, кото-
рые обеспечивают начальный режим эксплуатации Galileo. Получен-
ные с помощью данных станций беззапросные измерения позволяют
определить параметры орбиты НКА и частотно-временные поправки
• НИВ, а также оценивать целостность навигационно-временного по-
• Полученные в контуре ЭВО данные закладываются на борт НКА
посредством сети закладочных станций, входящих в состав конту-
. а управления. Каждая такая станция имеет пять-шесть 3-метровых
*енн С-диапазона, работающих на частотах порядка 5 ГГц.
7.3.6. Параметры и структура сигналов и сообщений
Основным документом, описывающим параметры навигационных
иосигналов и структуру цифровой информации, в системе Galileo
227
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
является интерфейсный контрольный документ, условно обозначенный
Galileo Open Service Signal-in-Space Inteface Control Document [25].
Для ГНСС Galileo Международный союз электросвязи МСЭ (ITU)
выделил рекордное число участков частотных полос — шесть пользо-
вательских в диапазоне L и один служебный в диапазоне С. Частоты
всех трёх ГНСС (Galileo, GPS и ГЛОНАСС) расположены доста-
точно компактно, а для сигналов Galileo, GPS, использующих ко-
довое разделение, — частично в перекрывающихся участках спектра.
Это позволяет принимать сигналы всех ГНСС одним многосистемным
радионавигационным приёмником. Большое число частотных каналов
в сочетании с широкополосными навигационными сигналами гаран-
тирует надёжную помехоустойчивую работу системы, учёт и компен-
сацию ионосферных погрешностей местоопределения, т. е. в конечном
итоге высокую точность навигации.
В системе Galileo реализован аналогичный GPS режим МДКР при
котором все НКА излучают соответствующие типы сигналов на одной
общей несущей частоте.
Полный перечень радиосигналов Galileo приведен в табл. 7.9.
Таблица 7.9
Навигационные радиосигналы Galileo
Е1 Несущая частота 1 575,420 МГц в системе GPS £1
Е6 Несущая частота 1 278,750 МГц
ЕЬ Несущая частота 1 191,795 МГц; общий диапазон для сигналов ЕЬа и ЕЬЬ
ЕЬа Несущая частота 1 176,450 МГц в системе GPS £5
Ebb Несущая частота 1 207,140 МГц
£1А, £15, £1С Три компоненты сигнала (А, 5, С) £1
£6А, £65, £6С Три компоненты сигнала (А, 5, С) £6
Eba-1, Eba-Q Синфазные компоненты и компоненты сигнала ЕЬа
Ebb-I, Ebb-Q Синфазные компоненты и компоненты сигнала ЕЬЬ
5А£-линия вниз Диапазон частот 1 544,050—1 545,150 МГц, радиолиния между НКА и земной станцией
SAR-линия вверх Диапазон частот 406,0—406,1 МГц, радиолиния между аварийным буем и НКА
Отметим наиболее существенные аспекты системы навигационных
радиосигналов Galileo. Во-первых, несущая частота Е5а совпада-
ет с несущей частотой L5 системы GPS, что обеспечивает взаимо-
дополняемость двух систем для решения задач гражданской авиа-
ции. Во-вторых, Galileo был предоставлен диапазон частот, который
включает диапазон £1 и смежные полосы 1 559,052... 1 563,144 МГц
и 1 587,696... 1 591,788 МГц. Эти поддиапазоны получили названия
£1 и £2, при этом полностью диапазон £1—£1—£2 получил обо-
228
te El Так же как и в системе GPS, все несущие и тактовые
формируются из общей частоты /о = 10,23 МГц (табл. 7.10
7.41).
Таблица 7.10
Параметры радиосигналов Galileo
значение зпазона Коэффициент (/о) Частота, МГц Длина волны, см Выделенная МСЭ полоса частот, МГц
£1 154 1 575,420 19,0 32,0
£6 4 125 1 278,750 23,4 40,9
го 116,5 1 191,795 25,2 51,2
115 1 176,450 25,5 24,0
ЕЪЬ 118 1 207/140 24,8 24,0
L5
1191.795 МГц
- ' (15, 10)
Е6
1278,75 МГц
£1
1575,42 МГц
ВОС(Ю, 5) Е6а L\b,IAc
BPSK(5) Е6в-1 СВОС(6.1.Ы1)
Рис. 7.41. Спектр навигационных радиосигналов Galileo
7.3. Galileo
братим внимание на то, что при разработке системы навигацион-
--S»'» : здиосигналов европейские эксперты уделили большое внимание
1знию С-диапазона (5 ГГц), который выделен Международным
• м зектросвязи для использования в интересах спутниковой ра-
• - ации. Однако, учитывая текущие потребности потребителей,
• ный выбор был сделан в пользу создания системы навигаци-
- ы • :\>диосигналов в Е-диапазоне. Кроме того, в интересах системы
кка н спасания, а также управления НКА в Galileo используются
•.* .'з С- и S-диапазонов ддя восходящей и нисходящей линий
путниками.
Лля Реализации всего набора услуг Galileo в системе предусмот-
Жввс । навигационных радиосигналов в четырёх диапазонах частот —
. Е6 и Е1 (табл. 7.11). Различают три типа кодов дальномер-
ам ПСП:
1 открытого доступа (не зашифрован и официально опубли-
мерческие коды, доступ к которым организован на платной
229
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Таблица 7.11
Характеристики сигналов Galileo
Диапазон ПСП Услуга* Канал Длина ПСП, символы ТЧ** псп, МГц тчци*** / символов, МГц Тип модуляции Криптозащита Распределение мощности, %
основная вторичная
£1 £1Д УУГ Данные Нет данных Нет данных 2,5575 50/100 ВОС(15,2,5) ПСП и данные 50
£1В ОУ/БЖ/КУ Данные 4092 1 1,023 125/250 МВОС(6,1, 1/11) Отдельные поля данных 25
£1С ОУ/БЖ/КУ Пилот 4092 25 1,023 Нет МВОС(6,1, 1/11) Нет 25
£6 £6Л УУГ Данные Нет данных Нет данных 5,115 50/100 ВОС(Ю, 5) ПСП и данные 50
£6В КУ Данные 5115 1 5,115 500/1 000 ФМ ПСП и данные 25
£6С КУ Пилот 5115 100 5,115 Нет ФМ ПСП 25
£5 £5а-/ ОУ/КУ Данные 10230 20 10,23 25/50 AltBOC(15, 10) Отдельные поля данных 25
E5a-Q ОУ/КУ Пилот 10230 100 10,23 Нет AltBOC(15, 10) Нет 25
ЕЬЬ-1 ОУ/БЖ/КУ Данные 10230 4 10,23 125/250 AltBOC(15, 10) Отдельные поля данных 25
E5b-Q ОУ/БЖ/КУ Пилот 10230 100 10,23 Нет AltBOC(15, 10) Нет 25
* ОУ— открытая услуга, БЖ —услуга по обеспечению безопасности жизнедеятельности, КУ — коммерческая услуга, УУГ —услуга, управ-
ляемая государством.
** тч _ тактовая частота
*** ТЧЦИ— тактовая частота цифровой информации.
3) коды, предназначенные для использования государственными
о-ребителями.
Следует особо отметить, что все навигационные радиосигналы,
кроме сигналов £6Д и £1А, являются двухкомпонентными — одна
адратура помимо дальмерной ПСП модулирована служебной ин-
ф< рмацией, а вторая представляет собой пилот-сигнал, — призван-
ными повысить помехоустойчивость всей радиолинии НКА —НАП.
Кроме того, подобная структура радиосигнала позволяет увеличивать
время накопления в НАП, повышая, таким образом, чувствитель-
сть и создавая возможность приёма навигационных радиосигналов
шже в закрытых помещениях. Шесть сигналов, включая три инфор-
мационных сигнала и три пилот-сигнала, в диапазонах ЕЬа, ЕЬЬ и £1
цедназначены для предоставления открытой услуги, а также для ока-
эания услуги по обеспечению безопасности жизнедеятельности.
Расположенные в двух квадратурах информационный и пилотный
сигналы в диапазоне ЕЬ предназначены для оказания коммерческой
у слуги, а услуга, контролируемая государством, реализуется двумя на-
вигационными радиосигналами в диапазонах ЕЬ и £1. Расчётные зна-
чения минимального уровня сигнала при угле места НКА 10° со-
.’авляют не менее —155 ... — 157 дБ Вт. Распределение мощности пе-
:-.датчиков между компонентами сигналов в различных диапазонах
приведено в табл. 7.11 [31].
Обратим внимание, что разделение мощности между информаци-
нным сигналом и пилот-сигналом, например Е1В и Е1С или ЕЬа-1
и Eba-Q, всегда составляет 50 %.
Как было отмечено выше, в диапазоне Е\ реализованы три на-
•тационных радиосигнала. Сигналы Е1В и £1С не зашифрованы
редназначены для предоставления открытой услуги всем категориям
п требителей. В составе служебной информации, передаваемой в ка-
- :.те Е\В, помимо общего НС содержатся информация о целостности
I зашифрованные коммерческие данные, что позволяет реализовы-
вать в одном сигнале сразу три услуги. Сигнал Е1А предназначен
’алько для использования в интересах государственных потребителей.
Выбранный для него вид модуляции ВОС(15,25) позволяет сосредо-
точить основную мощность сигнала вне существующего диапазона L1
GPS, в то время как выбор вида модуляции для сигналов Е1В и Е1С
является компромиссом, достигнутым в ходе длительных перегово-
: в между американским правительством и Европейской комиссией.
”ША и ЕС согласились внедрить сигналы общей модуляции на несу-
щей частоте L1/EI с целью обеспечения взаимодополняемости GPS
Galileo. Несмотря на то что первоначально американской стороной
'редлагалось использовать модуляцию ВОС(1,1), тем не менее в ходе
~г?еговоров удалось достигнуть компромисса и использовать мульти-
ллексную модуляцию ВОС — МВОС(6,1, 1/11).
Подобно диапазону £1 в диапазоне £6 реализованы три радиосиг-
ла. Первый предназначен для оказания услуги, управляемой госу-
7.3. Galileo
231
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
дарством, два других—для коммерческих услуг. Навигационная ин-
формация и коммерческие данные передаются с помощью сигнала
ЕЬВ. Скорость передачи данных 500 бит/с предоставляет широкие
возможности для потребителей, а пилот-сигнал £6С поддерживает
решение навигационных задач.
В диапазоне £5 Galileo реализованы два двухкомпонентных сигна-
ла. Сигналы в диапазоне ЕЬа предназначены для реализации открытой
и коммерческой услуг, а £56 —ещё и услуги по обеспечению без-
опасности жизнедеятельности. Канал данных в диапазоне частот ЕЬа,
имеющий условное обозначение ЕЬа-Е несёт навигационную инфор-
мацию, передаваемую с низкой скоростью —25 бит/с, что позволяет
повысить помехоустойчивость навигации за счёт увеличенного време-
ни накопления сигнала в НАП. Кроме того, высокая тактовая частота
дальномерной ПСП (10,23 МГц) и низкая скорость передачи данных
также способствуют приёму слабых сигналов в труднодоступных ме-
стах или закрытых помещениях
Канал данных в диапазоне частот £56, имеющий условное обо-
значение ЕЬЬ-1, несёт незашифрованные навигационные данные, ин-
формацию о целостности (для услуги по обеспечению безопасности
жизнедеятельности) и зашифрованные поля, предназначенные для пе-
редачи коммерческой информации.
С целью подавления эффекта многолучёвости для модуляции сиг-
налов ЕЬа и £56 используется метод модуляции с поднесущей ча-
стотой 15,315 МГц и тактовой частотой 10,23 МГц, имеющий услов-
ное обозначение AltBOC(15,10). Когерентно сформированный сигнал
может обрабатываться как единый широкополосный сигнал (поло-
са 51,15 МГц), имеющий два главных лепестка (по 20,46 МГц каж-
дый), центральные частоты которых разнесены на 30,69 МГц. Кро-
ме того, потребитель может принимать данные сигналы раздельно,
т. е. £56 спектрально совместим с сигналом £5 GPS, а ЕЬа — с £3
ГЛОНАСС.
В системе Galileo предполагается передача пяти типов НС в радио-
сигналах — навигационной информации, информации о целостности,
дополнительной информации, данных в интересах государственных по-
требителей и информация для поисково-спасательных операций.
Навигационная информация включает эфемериды и частотно-вре-
менные поправки для НКА, идентификатор НКА, признак состоя-
ния НКА, а также данные альманаха. Эфемериды НКА Galileo со-
стоят из 16 параметров, подобных тем, что реализованы в системе
GPS. Полная длина эфемеридных данных вместе с номером НКА
занимает 356 бит. Период обновления эфемеридной информации ра-
вен 3 ч.
Навигационные сообщения представляют собой последователь-
ность кадров, которые состоят из подкадров Подкадры в свою очередь
разделены на страницы. В зависимости от оперативности информации
она передаётся на одной из трёх скоростей — быстрой, средней или
232
•едленной. Срочные данные передаются в каждой странице, медлен-
— в структуре кадра.
Каждая страница сообщения содержит синхрослово (или метку
-ени) и поле данных. Синхрослово — двоичная маска, необходимая
хз я синхронизации. Для стандартного навигационного кадра, имеюще-
условное обозначение F/NAV, метка времени имеет длину 12 сим-
волов, а сообщение о целостности (I/NAV) имеет 10-символьное син-
лово.
В Galileo применен трёхуровневый алгоритм кодирования для ис-
вления ошибок передачи цифровой информации из-за высокой
. • пости передачи данных — циклический контроль, свёрточное коди-
вание с половинной скоростью и чередование блоков.
Сообщение F/NAV представляет собой кадр длиной 600 с. Кадр
: .2 пелён на 12 подкадров длиной 50 с. Каждый подкадр разделён
-. 5 страниц длиной 10 с. Страница состоит из синхрослова и ин-
л гмационной области. Отличительной особенностью алгоритмов пе-
редачи данных с НКА Galileo является то, что каждый НКА передаёт
разные страницы кадра. Данный алгоритм называется спутниковым
разнообразием и позволяет сократить время приёма альманаха всей
. мы.
Навигационное сообщение с данными о целостности, имеющее, как
ус вминалось, условное обозначение I/NAV, передаётся на двух часто-
пх ЕЬЬ-I и Е\В. На каждой частоте передаётся один и тот же поток
повой информации, однако последовательность страниц отличает-
ся Подобное разнообразие также позволяет сократить время приёма
; рмации.
В сообщении I/NAV определены два типа страниц — текущие и ава-
пнйные. Текущие страницы имеют длину 2 с, которые передаются
пззличной последовательности на сигналах ЕЪЬ-I и Е\В, а так-
«.с в различной последовательности для разных НКА. Аварийная
ганица имеет длину 1 с и передаётся на обеих несущих частотах
тараллельно. Аварийное сообщение занимает две страницы. Первая
<г<ть передаётся на первом канале (Е5Ь-1), а вторая часть —на вто-
;• и частоте (£1В). Передача ведётся одновременно. Недостающая
аварийного сообщения на каждой из частот передаётся в сле-
л • щий момент времени. Таким образом, обе страницы передаются
полностью на каждой из частот одновременно.
Структуры цифровой информации для коммерческой услуги и услу-
равляемой государством, не опубликованы.
7.3.7. Перспективы развития Galileo
27 января 2010 г. с немецкой компанией ОНВ был заключён кон-
* на изготовление 14 штатных НКА, а 2 февраля 2012 г. — кон-
ещё на 8 НКА.
Технология выведения НКА Galileo предполагает групповые запус-
два НКА на российской ракете-носителе «Союз» и по четыре
7.3. Galileo
233
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
2011 2012 2013 2014 2015
01 02 ОЗ 04 01 02 ОЗ 04 01 02 ОЗ 04 01 02 03 04 01 02 03 04
II ОГ ОГ
к к из 18 НКА из 26 НКА
21/20/2011 НКА 1 10/10/2012 НКА 3 ▼ ▼
и 2 Astrium и 4 Astrium
Разработка и испытания НКА | Изготовление и запуск НКА компанией ОНВ
НКА 5 НКА 18
НКА: 5,6 9,10 13,14 15-18
7,8 11,12
Доработка ракеты-носителя Arian-5
Контракт Первый запуск доработанной
на доработку ракеты-носителя Ariane-5 ракеты-носителя Ariane-5
с Astrum
Подготовка серийного производства НКА Изготовление и запуск НКА
НКА 19 НКА 26
♦♦♦♦♦♦♦♦
НКА: 19-22 23-26
Рис. 7.42. Программа запусков НКА Galileo
Hi - европейской ракете Ariane-5. В настоящее время предусмот-
'.'Ь запусков ракет «Союз» и три запуска Ariane до 2015 г.
|ря успешной реализации этих планов система Galileo к 2017 г. бу-
бладать группировкой из 18 НКА, что позволит предоставлять
на территории Европы. Вопрос дальнейшего финансирования
Чспечения полного развёртывания орбитальной группировки
НКА активно обсуждается. При этом остаётся надежда на то, что
. эксплуатации системы удастся привлечь негосударственные
ш финансирования, т. е. передать систему Galileo в концесси-
равление.
• сущая программа запусков НКА Galileo приведена на рис. 7.42.
. овременно с реализацией действующей программы Galileo про-
тея исследования возможности использования для навигации
- вазона (5 010.. .5 030 МГц), а также создания системы межспут-
• • в и связи для повышения гибкости управления системой и опе-
: сти передачи данных.
7.4. Beidou/Compass
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
7.4.1. История создания
Идея создания китайской национальной региональной навигаци-
онной системы была предложена в 1983 г. Концепция системы, ис-
пользующей два геостационарных КА (рабочее название системы
Twinsat), прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент
проводился на базе двух связных КА DFH-2/2A, уже находивших-
ся на орбите. Первый, предназначенный специально для навигации
КА Beidou-1A (рис. 7.43), был запущен 30 октября 2000 г., второй,
Beidou-1 В,— 20 декабря 2000 г. Третий, резервный, НКА Beidou-lC,
выведен на орбиту 25 мая 2003 г.
Аппараты Beidou-1 (Beidou — Северный Ковш — китайское назва-
ние созвездия Большой Медведицы) построены на базе связной гео-
стационарной платформы DFH-3. 15 декабря 2003 г. китайская си-
стема Beidou первого поколения была сдана в эксплуатацию, что поз-
волило Китаю войти в тройку стран, владеющих собственной спутни-
ковой навигационной системой.
В отличие от описанных выше ГНСС (ГЛОНАСС, GPS, Galileo),
в которых реализован беззапросный принцип НВО, Beidou-1 явля-
ется запросной дальномерной системой и работает следующим об-
разом. Аппаратура потребителя излучает навигационный (запросный)
радиосигнал, который принимается всеми видимыми КА на ГСО и ре-
транслируется на центральную станцию управления (ЦСУ). Аппа-
ратура ЦСУ оценивает задержку распространения радиосигнала и с
учётом имеющихся данных о местоположении соответствующих КА
определяет координаты потребителя. Полученные результаты навига-
ционных определений затем транслируются на АП в составе цифровой
информации, передаваемой КА. Описанный принцип функциониро-
вания системы сходен с принципом, реализованным в современной
версии международной системы КОСПАС — SARSAT, в которой име-
ется двухсторонняя связь потребителя и ЦСУ и, помимо функции
236
Рис. 7.43. Навигационный космический аппарат Beidou-1
страции координат потребителя, обеспечена услуга квитирова-
ли, т. е. информирования потребителя о том, что сигнал бедствия
принят и когда следует ожидать помощи.
Принцип навигационных определений по сигналам Beidou-1 иллю-
* 'Ирует рис. 7.44.
7.4. Beidou/Compass
Рис. 7.44. Схема навигационных определений
по сигналам Beidou-1
Навигационный сигнал потребителя ретранслируется через КА
в ЦСУ, где формируются отсчёты псевдодальности:
Si = Ri + с/?, + сбт + е,
(7.2)
237
где Ri — длина пути радиосигнала от потребителя до ЦСУ,
Ri = Rin + Ящсу = 7(Л-Хп)2 + (Ц-Уп)2 + (2(-2п)2 +
+ V(У< “ Уцсу)2 + (Ц — Уцсу)2 + (2/ — 2цсу)2;
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
8Ri — погрешность знания местоположения фазовых центров антенн
КА на ГСО и ЦСУ; 5т — расхождение ШВП и ШВС; е — аппаратур-
ная погрешность ИТНП; i — номер КА, i = 1,2.
В выражении (7.2), так же как в (6.4), неизвестными являются па-
раметры вектора состояния потребителя X = {Ап, Гп, Zn, 5т}, следова-
тельно, для мгновенных трёхмерных определений необходимо исполь-
зовать результаты измерений не менее чем по четырём КА. Точностные
характеристики данной системы зависят от погрешностей определения
координат антенных систем ЦСУ и КА на ГСО.
По утверждению китайской стороны [31], испытания показали, что
точность определения плановых координат, которую можно достичь
с помощью системы из двух геостационарных КА, сопоставима с точ-
ностью, обеспечиваемой системой GPS в режиме селективного до-
ступа (см. подразд. 7.2.3). Это утверждение нуждается в коммента-
рии: видимо, речь идёт о системе, включающей не только КА на ГСО.
но и несколько наземных станций. В совокупности они образуют еди-
ную сеть ОРНТ и позволяют создать разностно-дальномерную радио-
навигационную систему.
Очевидно, что такая система имела серьёзные эксплуатационные
ограничения, поскольку потребитель должен излучать сигнал, демас-
кирующий его местоположение, а ЦСУ является единственным сред-
ством управления системой, что в случае сбоя могло вывести из строя
всю систему. Тем не менее такая концепция была одним из способов
получить свою собственную, независимую, высокоточную региональ-
ную систему плановой (прежде всего морской) навигации, произведя
всего два запуска НКА, в отличие от десятков запусков, необходимых
для создания глобальной средневысотной орбитальной группировки.
Для создания наземного сегмента Beidou и вывода системы на ры-
нок в 2000 г. была учреждена частная компания BDStar Navigation.
Изначально компания создавалась как совместное предприятие с ка-
надской компанией Novatel по разработке и продаже приёмников
GPS. Через год был завершён эскизный проект «Информационная
система массового обслуживания Beidou-1», создавший основу для
открытого использования навигационной системы Beidou. Объеди-
нённый государственный промышленный комитет утвердил оконча-
тельный план проекта в январе 2003 г.
Финансирование Министерства науки и технологий позволило на-
чать работу над Прикладной интегрированной спутниковой инфор-
мационной системой, которая прошла приёмо-сдаточные испытания
в 2005 г. и позволила начать использование приёмников Beidou на оке-
238
анских рыболовецких судах. В июне 2006 г. стартовал соответствую-
щий коммерческий демонстрационный проект.
Несмотря на достигнутые успехи с учётом отмеченных выше недо-
статков геостационарной системы Beidou, наиболее значимые и при-
быльные проекты BDStar использовали навигационные сигналы GPS.
Поэтому в 2006 г. Китай объявил о начале второго этапа работ
по созданию национальной ГНСС, включающей группировку НКА
на средней круговой орбите. Этот этап получил условное обозначение
Beidou-2, в качестве альтернативного для создаваемой ГНСС исполь-
зуется название Compass.
7.4.2. Система координат и шкала времени
Параметры движения НКА Beidou передаются в китайской гео-
дезической системе координат 2000 г. (China Geodetic Coordinate
System 2000 — CGCS2000). Центр данной системы координат сов-
падает с центром масс Земли. Ось Z направлена на международный
полюс вращения системы координат ITRF, ось X — из центра системы
координат в точку пересечения опорного меридиана ITRS и плоскости,
перпендикулярной оси Z. Ось У дополняет данную систему координат
до правой тройки.
В основе системы координат CGCS2000 лежит эллипсоид Красов-
ского.
Геодезические константы и параметры общеземного эллипсоида
CGCS2000
Параметр Значение
Большая полуось а, м ....................... 6378 137,0
Геоцентрическая константа гравитационного поля
Земли с учётом атмосферы, м3/с2 ........... 398600,4418 • 10В 9
Угловая скорость вращения Земли со, рад/с .. 7,2921150 • 10-5
Знаменатель сжатия ......................... 1/298,257222101
7.4. Beidou/Compass
В качестве шкалы времени системы определено китайское универ-
сальное глобальное время, которое поддерживается атомными стан-
дартами частоты, установленными в центре управления в Пекине.
Время системы Beidou (BDT) связано с координированным все-
мирным временем (UTC) и синхронизировано с ним с точностью
100 нс. Началом отсчёта BDT является 0 ч 0 мин 1 января 2006 г.
(СТС). По заявлению создателей системы, предусмотрена совмести-
мость BDT со временем GPS/Galileo. Расхождение между шкалами
времени GPST/GST измеряется и передаётся.
7.4.3. Орбитальная группировка
Орбитальная группировка Beidou-2 (рис. 7.45) будет состоять
•з 35 НКА, из которых пять НКА Compass-G (рис. 7.46, а) долж-
ны находиться на геостационарной орбите (ГСО) (точки 58,75° в.д.,
239
80 в.д., 110,5° в. д., 140° в. д. и 160° в. д.), 27 НКА Compass-M
(рис. 7.46, б) —на средней круговой орбите (высота 21500 км, пе-
риод обращения 12 ч, наклонение 55°) и 3 НКА Compass-IGSO —
на геосинхронных наклонных высоких орбитах (ГСНО) (три плос-
кости с пересечением подспутниковой точки трёх орбит на широте
118° в. д., высотой орбиты 36000 км, наклонением 55°).
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Рис. 7.45. Орбитальная группировка Beidou-2
27 НКА на средних круговых орбитах будут расположены следую-
щим образом: 24 спутника будут размещены равномерно с шагом 45°
по долготе в трёх орбитальных плоскостях, имеющих наклонение 55°,
долготу восходящего узла Q = 0, 120, 240° и аргументами широты
187,6, 67,7 и 207,6° соответственно. Три дополнительных спутника яв-
ляются резервными.
Первый запуск НКА Compass-G (табл. 7.12) был произведён
в апреле 2007 г., однако проблемы с бортовыми системами потре-
бовали доработки второго НКА, который был запущен лишь спустя
2 года. К февралю 2014 г. на орбите находилось 14 действующих
НКА Beidou-2, из которых 5 находятся на ГСО и ещё 5 —на ГСНО.
В 2012 г. на средние круговые орбиты выведены 4 НКА Compass-M.
240
a
б
Рис. 7.46. Навигационные космические аппараты Beidou-2:
- — НКА Compass-G для геостационарных орбит; б — НКА Compass-M для круговых орбит
Подобная архитектура системы позволяет предоставлять регио-
нальные навигационные услуги с помощью созвездия 5 + 5 + 4 на ГСО,
ГСНО и средней круговой. Указанная архитектура несколько отли-
вается от ранее запланированной, однако выстроить первоначально
предложенную систему планируется к 2020 г.
7.4. Beidou/Compass
7.4.4. Наземный комплекс управления
Наземный комплекс управления Beidou построен по классической
централизованной схеме: сеть беззапросных измерительных станций
формирует отсчёты первичных измерений навигационных параметров
радиосигналов НКА и передаёт их в центр управления системой, в ко-
тором формируется информация, закладываемая на борт НКА посред-
ством специальных земных станций (рис. 7.47).
В силу того что орбитальная группировка Beidou включает раз-
личные типы НКА на разных орбитах, НКУ должен решать задачи
нормирования ЭВИ для каждого типа орбит и закладки данной ин-
формации на борт НКА. Наличие в составе системы НКА на ГСО
позволяет использовать данные спутники для передачи широкозон-
ной корректирующей информации для всей орбитальной группировки.
На первом этапе развития системы аналогично ГЛОНАСС средства
закладки информации на борт НКА Compass-M и Compass-G рас-
положены на территории Китая.
241
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Таблица 7.12
Запуски НКА Beidou
Дата запуска КА Орбита Статус Система
13.10.2000 Beidou-1 А ГСО 80° в.д. Не используется. Уведён с орбиты Beidou-1
21.12.2000 Beidou-1 В Не используется. Уведён с орбиты
25.05.2003 Beidou-1 С ГСО 110,5° в.д. Не используется
03.02.2007 Beidou-1D 144° в.д. Не используется. Уведён с орбиты
14.04.2007 Compass-Mi Средняя круговая Лётные испытания Beidou-2
15.04.2009 Compass-G2 ГСО 80° в.д. На техобслуживании
17.01.2010 Compass-Gl ГСО 144,5° в.д. Действующий
06.02.2010 Compass-G3 ГСО 84,7° в.д.
01.08.2010 Compass-IGSOl ГСНО 118° в.д.
01.11.2010 Compass-G4 ГСО 160° в.д.
18.12.2010 Compass-IGSO2 ГСНО 118° в.д.
10.04.2011 Compass-IGSO3
27.07.2011 Compass-IGS04
02.12.2011 Compass-IGSO5
25.02.2012 Compass-G5 ГСО 60° в.д.
30.04.2012 Compass-M2 Средняя круговая
30.04.2012 Compass-M3
19.09.2012 Compass-M4
19.09.2012 Compass-M5
25.10.2013 Compass-G6 ГСО 110,5° в.д.
Рис. 7.47. Наземный комплекс управления
Сеть беззапросных измерительных станций Beidou также распо-
лагается на территории Китая, однако необходимость повышения точ-
ностных характеристик навигационных услуг системы вынуждает раз-
работчиков системы задуматься о создании глобальной сети. Решение
данной задачи предусмотрено долгосрочной стратегией развития си-
стемы.
242
7.4.5. Параметры и структура сигналов и сообщений
В системе Beidou-2 предполагается излучение навигационных ра-
диосигналов в трёх частотных диапазонах, носящих условные обозна-
ения Bl, В2 и ВЗ, расположенных в тех же областях А-диапазона,
что и сигналы других ГНСС (рис. 7.48).
Развитие радиосигналов предполагается поэтапным. На первом
угапе предусматривается излучение двух открытых радиосигналов
и трёх радиосигналов с санкционированным доступом (табл. 7.13).
Данные радиосигналы используют модуляцию, аналогичную старым
навигационным радиосигналам ГЛОНАСС и GPS. На втором этапе
развития Beidou предполагается изменение видов модуляции данных
радиосигналов на более современные, а также отказ от использования
диапазона В2 для передачи сигналов с санкционированным доступом
(табл. 7.14).
Таблица 7.13
Характеристики сигналов Beidou первого этапа,
модуляция QPSK
Сигнал Несущая частота. МГц Тактовая частота дальномерной ПСП, МГц Тип доступа к сигналу
W) 1 561,098 2,046 Открытый
в 1(G) Санкционированный
52(/) 1207,14 Открытый
52(Q) 10,23 Санкционированный
53 1 268,52
7.4. Beidou/Compass
Основным диапазоном частот, предназначенным для предоставле-
ния массовых навигационных услуг, является диапазон В1. Навигаци-
онный радиосигнал в данном диапазоне имеет две квадратуры, каждая
из которых модулирована дальномерной ПСП и символами НС. При
этом скорость передачи НС с борта НКА на ГСО равна 500 бит/с,
а для НКА на ГСНО и средних круговых орбитах —50 бит/с. Радио-
сигнал имеет правую круговую поляризацию, и уровень гражданского
сигнала на поверхности Земли при угле места более 5° над линией
горизонта составляет не менее — 163 дБ Вт.
Дальномерная ПСП открытого радиосигнала в диапазоне В1 явля-
ется усечённым кодом Голда длиной 2 046 символов. Код Голда форми-
руется сложением по модулю 2 ПСП Gi и G%, формируемых в 11-би-
товых регистрах сдвига со следующими порождающими полиномами
(рис. 7.49):
Gi(X) = 1 +Х+Х7+Х8 + Х9+Х10+Х11;
G2(X)= 1 +х+х2+х3+х4+х5+х8+х9+хп
243
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Таблица 7.14
Характеристики сигналов Beidou второго этапа
Сигнал Несущая часто- та, МГц Тактовая частота дально- мерной ПСП, МГц Скорость передачи данных, бит/с / знаков/с Модуляция Тип доступа к сигналу
51-CD 1 575,42 (LI GPS) 1,023 50/100 МВОС(6,1, 1/11) Откры- тый
1-СР Нет
В1-А 2,046 50/100 Нет ВОС(14, 2) Санкцио- нирован- ный
B2aD 1 191,795 (Е5 Galileo) 10,23 25/50 AltBOC(15, 10) Откры- тый
В2аР Нет
B2bD 50/100
В2ЬР Нет
ВЗ 1 268,52 10,23 500 bps QPSK(10) Санкцио- нирован- ный
-AD 2,5575 50/100 ВОС(15, 2,5)
33-АР Нет
тачальные значения регистров Gi и G2.
Gi: 01010101010; G2: 01010101010.
Рис. 7.49. Схема формирования дальномерной ПСП открытого радиосигнала Beidou
в диапазоне В1
7.4. Beidou/Compass
^’правление кодами осуществляется с помощью переключателя,
который определяет значения символов последовательности G2. ин-
•нидуальные для каждого НКА [38].
7.4.6. Услуги, предоставляемые ГНСС Beidou
Геостационарные и геосинхронные Beidou-2 предоставляют сер-
вис по навигационно-временному обеспечению (навигация, времен-
245
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
ная синхронизация и связь) в Азиатском регионе Северного полуша-
рия. Погрешность навигационных определений плановых координат
составляет 20...100 м с вероятностью 95 %.
Контроль БШВ КА может осуществляться по беззапросной и за-
просной технологиям. В первом случае погрешность временной син-
хронизации составляет 100 нс, во втором —20 нс (с вероятностью
95 %).
Навигационный космический аппарат Beidou-1 С предназначен для
передачи зашифрованных коротких сообщений, позволяющих пере-
дать не менее 120 символов китайской кодировки в одном сообщении
Данная услуга предназначена в первую очередь для обслуживания ин-
тересов военно-морских сил КНР. Вторая коммуникационная функция
Beidou-1 С — передача информации систем функциональных дополне-
ний — уточнённой эфемеридно-временной информации и информации
о целостности. Для решения данной задачи на КА Beidou-1 С установ-
лен специализированный ретранслятор, который позволяет излучать
сигналы в формате Систем функциональных дополнений космического
базирования (SBAS). Однако описание кодов соответствующей даль-
номерной последовательности для КА Beidou-1 С в открытых источ-
никах отсутствует.
7.4.7. Планы развёртывания ГНСС Beidou-2
Учитывая текущие планы развития, можно предположить, что КНР
к 2020 г. будет обладать собственной ГНСС, включающей 35 КА,
предоставляющей открытые услуги и услуги с санкционированным до-
ступом (табл. 7.15).
Таблица 7.15
Этапы развития Beidou
Срок Группировка Сигналы (фактически излучаемые)
2013 г. 5 ГСО + 5 ГСНО + 5 сред- няя круговая (региональная система) Сигналы первого этапа
2020 г. 5 ГСО + 3 ГСНО + 27 сред- няя круговая (глобальная система) Сигналы второго этапа
При этом по отдельным параметрам, таким, например, как точ-
ность, ГНСС Beidou-2 будет уступать GPS и Galileo. КНР вероятней
всего будет проводить работы по экспериментальной отработке сле-
дующего поколения КА и, возможно, прилагать усилия по созданию
глобальной сети измерительных средств НКУ
7.5. Региональные спутниковые
радионавигационные системы
QZSS и IRNSS
7.5.1. Общие сведения
Как отмечалось выше, значение ГНСС для информационной ин-
фраструктуры как промышленно развитых, так и других стран уже
не вызывает сомнений. По этой причине политическое руководство та-
ких крупных геополитических держав, как Япония и Индия, приняло
решение по реализации собственных национальных программ по раз-
витию спутниковой навигации. Первой по пути развития национальной
инфраструктуры координатно-временного обеспечения пошла Япония,
которая в дополнение к успешно функционирующей широкозонной си-
стеме MSAS (разд. 9.2) разворачивает региональную систему QZSS
(см. подразд. 7.5.2). Индийская программа предполагает создание ре-
гиональной системы IRNSS (см. подразд. 7.5.3), а также широкозон-
ной системы функциональных дополнений GAGAN (разд. 9.4).
7.5.2. Система QZSS
Система QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) разработана по за-
казу Японского аэрокосмического агентства (JAXA) с целью предо-
ставления услуги региональной спутниковой навигации в Восточной
Азии и Океании [18]. Основная задача данной системы — поддерж-
ка потребителей в условиях плотной городской застройки и гористой
местности. Несмотря на то что QZSS является главным образом си-
стемой функционального дополнения GPS, она также имеет потенциал
для предоставления автономных услуг, характеризующихся повышен-
ными по сравнению с традиционными ГНСС точностными характери-
стиками.
Создание системы QZSS обусловлено необходимостью сохране-
ния независимости национальной системы навигационно-временного
обеспечения Японии от других ГНСС. QZSS задумывалась как сов-
местный проект правительства, представленного четырьмя министер-
.твами, и частного сектора. Несколько компаний основали Передовую
космическую деловую корпорацию, которая должна была заниматься
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы QZSS и IRNSS
247
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
главным образом услугами связи и передачи данных QZSS. Госу-
дарственные организации должны обеспечивать предоставление на-
вигационных услуг. Для решения последней задачи в октябре 2002 г.
была сформирована техническая рабочая группа GPS/QZSS, кото-
рая решала задачи разработки радиосигналов QZSS и обеспечения их
взаимодополняемости с радиосигналами GPS.
Работы по созданию QZSS начались в 2003 г. с разработки кон-
цепции, затем в период 2004—2005 гг. было выполнено проектирование
и технико-экономическое обоснование проекта. Разработка рабочей
документации на составные части QZSS началась в 2006 г., а к их из-
готовлению японские специалисты приступили в 2008 г. Первый НКА
Michibiki был успешно запущен на околоземную орбиту в сентябре
2010 г. В декабре того же года были завершены проверки работоспо-
собности бортовой аппаратуры и начат этап проверки и подтвержде-
ния точностных и эксплуатационных характеристик НКА. Успешное
завершение лётных испытаний позволило ввести QZSS в опытную
эксплуатацию 22 июня 2011 г. с предоставлением услуг посредством
навигационных радиосигналов 1ЛС/А и А2С GPS, а 11 июля 2011 г. —
услуг с помощью радиосигналов L1C и L5.
Космический сегмент состоит из трёх КА на наклонных эллипти-
ческих орбитах, основные параметры которых приведены ниже.
Параметры орбит НКА QZSS
Большая полуось (среднее значение) а, км ..... 42 164
Эксцентриситет (максимальное значение), е ....... 0,099
Наклонение орбиты г, град..................... 45
Прямое восхождение восходящего узла Q, град .... 88,09, 208,09, 328,09
Аргумент перигея со, град .................... 270
Долгота восходящего узла Л, град в.д.......... 146,3
В силу эксцентриситичности след орбиты на поверхности Земли
имеет вид асимметричной восьмёрки с центральной долготой 135° в. д
Подобная орбитальная структура обеспечит наличие над территорией
Японии не менее одного КА, расположенного под углом места бо-
лее 70° (рис. 7.50).
Эффект от использования QZSS наглядно иллюстрируют резуль-
таты навигационных определений в Токио (район Гинза), проведённых
19 февраля 2011 г. [39]. В качестве критерия использовался процент
площади открытой небесной полусферы от общей площади небесной
полусферы для данной точки. Вся траектория движения потребителя
была разделена на четыре типа участков (рис. 7.51).
Полученные результаты (табл. 7.16) свидетельствуют о высокой
эффективности использования НКА QZSS на высоких орбитах для
повышения качества навигационного обеспечения в условиях плотной
городской застройки и сложного рельефа местности.
НКА Michibiki (рис. 7.52) является первым НКА, излучающим
международный навигационный радиосигнал L1C, а также переда-
248
Рис. 7.50. След КА QZSS на поверхности
Земли
а
б
в
Рис. 7.51. Фотографии типичных участков траектории
движения с данными о величине незатенённой небесной
полусферы:
а - 11,9 %; б - 28,4 %; в - 60,5 %; г - 92,8 %
249
Таблица 7.16
Результаты экспериментальной оценки доступности
навигационного обеспечения
Площадь открытой небесной полусферы, % Доступность НКА GPS, % Доступность НКА GPS и QZSS, % Число измерений
75-100 99,7 99,7 34
50-75 93,7 95,2 7
25-50 45,9 53,5 15
0-25 19,3 26,9 2
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
ющим высокоточную ЭВИ в составе радиосигнала LEX, о котором
более подробно будет сказано далее.
Рис. 7.52. Навигационный космический аппарат Michibiki
Параметры навигационного космического аппарата Michibiki
Масса, кг .................................. 1 800
Масса навигационной полезной нагрузки, кг ... 320
Мощность системы электропитания, Вт ........ 5300
Мощность потребления навигационной
полезной нагрузки, Вт....................... 1 900
Срок активного существования, лет .......... 10
НКУ QZSS (рис. 7.53) включает девять станций мониторинга
QZSS и GPS, командно-измерительную (рис. 7.54) и закладочную
(рис. 7.55) станции.
В системе QZSS используется Японская геодезическая система
JGS (Japanese geodetic system), близкая по параметрам к ITRF. Па-
раметры основного эллипсоида JGS соответствуют геодезической си-
стеме координат 1980 г., включая положение гравитационного центра
Земли и ориентацию осей. Большая полуось а = 6378 137 м, а зна-
менатель сжатия составляет 1/298,257222101. Планируются работы
по сближению систем координат JGS, WGS-84 и GTRF, которые поз-
волят уменьшить расхождения до 0,02 м.
Аналогично прочим ГНСС временная шкала QZSS связана с меж-
дународным атомным временем TAI, которое имеет постоянное рас-
хождение на целое количество секунд со шкалой времени GPS. Пред-
полагается, что смещение между шкалами времени QZSS, GPS
и Galileo будет передаваться в составе НС.
250
Рис. 7.53. Наземный комплекс управления QZSS:
— станции GPS; ф — станции QZSS и GPS; О — коммандно-измерительная и закладочная
станции
Рис. 7.54. Командно-измерительная станция QZSS
на Окинаве
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы QZSS и IRNSS
251
Рис. 7.55. Закладочная станция QZSS на Окинаве
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
Как отмечалось выше, система QZSS предоставляет три основ-
ные услуги. Первая из них заключается в поддержке навигационных
услуг GPS путём излучения совместимых и взаимодополняющих на-
вигационных радиосигналов, что обеспечивает повышение доступно-
сти, непрерывности и точности НВО. Основная задача данной услу-
ги — повышение доступности, непрерывности и точности НВО. Реше-
ние данной задачи достигается путём передачи сигналов L1C/A, L2C,
L5C и L1C GPS. Второй является услуга широкозонной дифференци-
альной коррекциии, предоставляемая функциональными дополнения-
ми космического базирования (см. разд. 8.4). В составе передаваемой
информации есть данные о целостности, а также поправки к бортовым
эфемеридам, ЧВП, параметрам модели ионосферной задержки, кото-
рые позволяют повысить точность навигационных определений до 1 м
(СКП). Третья предоставляемая услуга предназначена для обеспече-
ния связи и передачи данных в условиях плотной городской застройки
и гористой местности. Данный канал связи может быть использо-
ван в интересах навигации путём передачи информации, позволяющей
ускорить поиск, обнаружение и захват навигационных радиосигналов.
К подобной информации относится, например, альманах любой ГНСС.
Космические аппараты QZSS будут излучать навигационные ра-
диосигналы в частотных диапазонах LI, L2, L5 GPS и Ев Galileo.
Последний сигнал носит кодовое обозначение LEX и предназначен
для экспериментальных целей отработки перспективных технологий
навигационного обеспечения в части повышения скорости передачи
навигационной информации для реализации методов высокоточного
определения местоположения (Precise Point Positioning, см. гл. И).
Все сигналы QZSS имеют правую круговую поляризацию, а уровень
мощности принимаемых на поверхности Земли радиосигналов изменя-
ется от — 152 до — 160 дБ Вт, что примерно равно мощности излучения
Солнца.
Параметры всех радиосигналов QZSS приведены в табл. 7.17.
Необходимо отметить, что для формирования данных сигналов ис-
пользуется опорная частота 10,23 МГц, которая смещена относитель-
252
но номинала на 5,5232- 10~3 МГц для компенсации релятивистского
эффекта. Кроме того, в составе служебной цифровой информации, мо-
дулирующей навигационный радиосигнал, передаются дополнительные
данные для учёта влияния на БШВ релятивистских эффектов, имею-
щих место на эллиптических орбитах.
Таблица 7.17
Параметры сигналов QZSS
Диа- па- зон Часто- та, МГц Коэф- фици- ент /о Обозна- чение Такто- вая частота ПСП, МГц Вид модуляции Тактовая частота ци, симв./с бит/с
L1 1 575,42 154 LI С/А L1Cd LICp LI-SAIF 1,023 ФМ ВОС(1, 1) ВОС(1, 1) ФМ 50 50 100 50 500 250
L2 1 227,60 120 L2C 1.023 ФМ 50 25
L5 1 176,45 115 L5I L5Q 10,23 ФМ 100 50
£6 1 278,75 125 LEX 5,115 ФМ 2000
Как следует из данных, приведённых в табл. 7.17, КА QZSS из-
лучают восемь сигналов, шесть из которых предназначены для реше-
ния задач навигационно-временного обеспечения, поскольку абсолют-
но идентичны сигналам GPS. Два других сигнала (L1-SAIF и LEX)
являются сигналами широкозонной системы функциональных допол-
нений. Обозначение SAIF (Submeter Accuracy with Integrity Function)
расшифровывается как сигнал субметровой точности с функцией це-
лостности. Отличительной особенностью сигнала LEX является ис-
пользование для модуляции двух дальномерных ПСП — длинной и ко-
роткой. Короткая последовательность используется для обеспечения
передачи данных с частотой 2 кГц.
Структурная схема формирователя сигнала LEX представлена
на рис. 7.56. Модулирующие символы каждой из составляющих ПСП
формируются с частотой 2,5575 МГц, а на выходе коммутируются с ча-
стотой 5,115 МГц. Информация передаётся с помощью ортогональных
сигналов, общее число которых составляет 256 (т = 8). Необходимый
для передачи сигнал выбирается в зависимости от входной комбина-
ции восьми информационных бит. Таким образом, один модулирующий
символ передаёт не 1 бит, а сразу 8 бит, и скорость передачи по-
вышается в те же 8 раз и составляет 2000 бит/с. Для повышения
помехоустойчивости цифровой информации используется укорочен-
ный код Рида — Соломона (255,223).
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы QZSS и IRNSS
253
Рис. 7.56. Структурная схема формирователя сигнала LEX
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
В отличие от существующих навигационных радиосигналов ЦИ ра-
диосигнала LEX представляет собой одно сообщение длиной 2000
символов (рис. 7.57). В составе данного сообщения может передавать-
ся один из двух пакетов (табл. 7.18) с данными о состоянии 35 НКА
в каждом, ЭВИ и данными о величинах вертикальной ионосферной
задержки. Данные о состоянии НКА передаются для 32 НКА GPS
и 3 НКА QZSS в части пяти навигационных радиосигналов L1, L2, L5,
ZJC и LEX. Для тех же НКА передаётся высокоточная ЭВИ. вклю-
чающая оценки величин погрешностей ИТНП за счёт космического
комплекса. Данные о величинах вертикальной ионосферной задержки
передаются для узлов 5-градусной ионосферной сетки над территори-
ей Японии.
Рис. 7.57. Формат сообщения радиосигнала LEX
Подобная структура данных обеспечивает периодичность передачи
информации о состоянии НКА в 1 с, что необходимо для проведе-
ния оперативного контроля целостности навигационного обеспечения.
Среднее время повторения передачи ЭВИ для одного НКА в этом слу-
254
Таблица 7.18
Сообщения цифровой информации радиосигнала LEX
Тип информации Содержание
0-9 Зарезервированы
10-19 Экспериментальные сообщения для отработки режима высокоточного определения местоположения
10 Признаки состояния (35 НКА) ЭВИ (3 НКА)
11 Признаки состояния (35 НКА) ЭВИ (2 НКА). Данные о величинах вертикальной ионосферной задержки
12-19 Зарезервированы
20 Экспериментальные исследования в интересах Геопространственного агентства Японии
21-255 Прочие исследования
чае составляет 12 с. С такой же периодичностью передаётся полный
массив данных о величинах ионосферной задержки. В штатном режиме
ЭВИ обновляется каждые 3 мин и может использоваться без потери
точности в течение 6 мин. Интервал обновления данных об ионосфер-
ных задержках составляет 30 мин.
7.5.3. Система IRNSS
В мае 2006 г. Индия утвердила программу создания системы IRNSS
।Indian Regional Navigation Satellite System), которая должна обеспе-
чить автономное навигационно-временное обеспечение на Индийском
полуострове. Орбитальная группировка IRNSS состоит из семи КА,
три из которых расположены на ГСО в точках 34, 83 и 131,5° в.д.
Остальные четыре КА расположены попарно на двух геосинхронных
орбитах, имеющих наклонение 29° и пересекающих экваториаль-
ную плоскость в точках 55 и 111,5° в. д. Согласно опубликованным
1анным [18], после запуска всех НКА в зоне покрытия между 40
и 140е в. д. по долготе и ±40° по широте будет обеспечена полностью
независимая непрерывная навигация для потребителей, находящих-
. я на территории Индии, а также на высотах до 1 500 км над ней.
Структура орбитальной группировки IRNSS приведена на рис. 7.58.
Система IRNSS будет предоставлять услуги с открытым и санкци-
онированным доступом, включая обеспечение потребителей данными
: целостности навигационного обеспечения и высокоточной ЭВИ.
Первый НКА IRNSS-la запущен 8 июля 2013 г. с ГСНО, пе-
ресекающей экваториальную плоскость в точке 55° в.д. Дальнейшие
~ । развития орбитальной группировки предполагают запуск одно-
НКА. каждые 6 месяцев. НКА IRNSS-la (рис. 7.59) имеет массу
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы QZSS и IRNSS
255
Глава 7. Глобальные навигационные спутниковые системы
55°в.д. 111,5°в.д.
Рис. 7.58. Орбитальная группировка IRNSS
Рис. 7.59. НКА IRNSS-1
1 380 кг и мощность системы электропитания 1 600 Вт. Гарантирован-
ный САС данного НКА составляет 7 лет.
Навигационная полезная нагрузка НКА IRNSS обеспечивает
предоставление потребителям услуг на основе радиосигналов в двух
частотных диапазонах —Л и S. В Л-диапазоне сигналы IRNSS спек-
256
трально совпадают с сигналами £5 GPS и E5tz Galileo и имеют
несущую частоту 1 176,45 МГц, а в 5-диапазоне излучаются на ча-
стоте 2 492,08 МГц. Кроме того, предполагается запросное измерение
дальности в С-диапазоне (табл. 7.19).
Таблица 7.19
Параметры навигационных радиосигналов IRNSS
Параметр Единица измерения Диапазон
L 5 с
Частота излучения МГц 1 191,795 ± 12 2 491,005 ±8,25 3400...3425
Частота приёма МГц — — 6 700...6 725
Поляризация — Правая круговая Правая/левая круговая
Эффективная изотропная излучаемая энергия дБ Вт 30,5 35,5 19,0
Зона покрытия ширина луча) — Глобальная
Коэффициент усиления антенны дБ 15,8 16
Скорость редачи данных бит 50 —
ктовая частота ПСП МГц 1,023/10,23 1,023/н.д. —
: ид модуляции ФМ/ВОС ФМ/ВОС ФМ
НКУ IRNSS включает два центра управления и региональную сеть
20 станций мониторинга.
Предполагается, что точность навигационных определений на тер-
ритории Индии и сопредельных государств составит 10 м (СКО) и 20 м
' КО) на поверхности Индийского океана.
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы QZSS и IRNSS
Глава 8
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ
z 1. Основные принципы дифференциальной
навигации
Абсолютный режим
Дифференциальный
режим
Относительные
навигационные
определения
3 м
3 м
1 м
0,03 м
1 м 0,03 м
Как отмечалось в гл. 7, предпринятая в США в 1990-х годах по-
- ‘ <а ограничить точность НВО за счёт преднамеренного загрубления
передаваемой в составе НС ЭВИ не принесла желаемого результата,
«скольку потребители начали применять методы дифференциаль-
ной навигации, основанные на совместной разностной обработке
результатов независимых измерений, полученных в пространственно
сенных точках приёма.
Принципиальная возможность скомпенсировать таким способом
ри составляющих погрешностей НВО и соответственно повысить их
ность следует из двух экспериментально подтверждённых фактов:
11 значение суммарной ЭПД, обусловленной погрешностями ЭВИ
в тдассой распространения сигналов, можно оценить с помощью АП,
. ,-зновленной в точке с известными координатами (в литерату-
ре *акое устройство называют базовой, опорной или референцной
. цией) [9, 19];
21 погрешности измерений, выполненных по одному и тому же НКА
требителями, находящимися в различных точках пространства, со-
держат пространственно коррелированные составляющие, кото-
: могут быть скомпенсированы методами дифференциальной (раз-
<’ной) обработки этих измерений: сильнокоррелированные — прак-
тмчески полностью, слабокоррелированные — частично.
Анализ баланса погрешностей НВО (см. гл. 6) даёт основания
утверждать, что практически для любого потребителя некоррелиро-
аанными (относительно измерений других потребителей) могут счи-
таться только погрешности его собственной АП, а также погрешности,
^'условленные многолучевым распространением сигналов вблизи точ-
км расположения антенны. В то же время для всех потребителей,
иблюдающих данный НКА, системные погрешности, вносимые соб-
ственной бортовой аппаратурой НКА, а также данными ЭВИ, «закла-
хываемыми» НКУ, имеют практически 100 %-ную корреляцию. Кроме
8.1. Основные принципы дифференциальной навигации
259
Глава 8. Дифференциальная навигация
того, для значительных областей на земной поверхности и вблизи неё
в той или иной степени коррелированными являются погрешности,
возникающие на трассе распространения сигнала от НКА до потре-
бителя в ионосфере и тропосфере (разд. 8.2).
Таким образом, существует объективная возможность повысить
точность НВО ГНСС за счёт совместной разностной обработки из-
мерений, полученных разными потребителями, поскольку при этом
снижается влияние коррелированных составляющих погрешностей.
Однако необходимо помнить, что использование любых разностных
алгоритмов неизбежно приводит к возрастанию дисперсии некорре-
лированной (шумовой) составляющей погрешности, поскольку, как
известно, дисперсия разности независимых измерений равна сумме
их дисперсий. Поэтому АП, используемая в режимах дифференциаль-
ной навигации, должна иметь минимальный уровень флуктуационных
погрешностей.
В настоящее время наибольшее распространение получили два
класса методов дифференциальной навигации:
• дифференциальная коррекция (ДК);
• относительные измерения (ОИ).
Дифференциальная коррекция (разд. 8.3), основной целью име-
ет повышение точности определения координат потребителей, прежде
всего подвижных объектов, относительно какой-либо системы абсо-
лютных координат (геоцентрической, геодезической и т. п.).
Относительные измерения (как правило, на фазовом уровне,
разд. 8.4) чаще всего направлены на высокоточное определение коор-
динат потребителя в локальной системе координат, связанной с одним
из объектов или с базовой станцией.
Очевидно, что реализация алгоритмов ДК и ОИ подразумевает
наличие соответствующих каналов связи между потребителями и ба-
зовыми станциями.
Программно-аппаратные комплексы, реализующие принципы ДК
и ОИ, получили широкое распространение и рассматриваются в струк-
туре ГНСС в качестве важнейших функциональных дополнений.
Основные вопросы, связанные с практическим применением методов
дифференциальной навигации, рассмотрены далее.
8.2. Пространственная и временная
корреляция погрешностей навигационных
определений
/ Сумма погрешностей = КИ Сумма погрешностей
ккс
В.2.1. Погрешности эфемеридно-временного обеспечения
•иболее проста и наглядна функциональная зависимость ЭПД
*еля от рассогласования между фактическим отсчётом БШВ
- • прогнозным значением БШВ /пр, рассчитанным потребителем
мощью соответствующей математической модели, транслируемой
в составе НС (см. разд. 6.1). Эта зависимость при любом взаимном
жении НКА и потребителя имеет вид
б^БШВ — с87бШВ = f Дфакт — Gp)-
Например, при расхождении реальных показаний БШВ и прогноза
3 нс ошибка измерения псевдодальности составит порядка 3 м для
I потребителей. Именно данное свойство определило выбор прин-
а сэлективного доступа, использовавшегося в GPS, а также требо-
к оперативности обновления корректирующей информации (КИ)
ф фе ренциальных системах, создававшихся для компенсации дан-
: г жима. В частности, поскольку в режиме селективного доступа
- изменения искажений, вносимых в ЧВП, описывался полино-
г зторой степени и эквивалентное значение ускорения вносимого
8.2. Пространственная и временная корреляция погрешностей навигационных определений
261
Глава 8. Дифференциальная навигация
искажения соответствовало примерно 0,02 м/с2, для обеспечения по-
грешности навигационных определений в дифференциальном режиме
менее 1 м (СКО) поправки к измерениям псевдодальности должны
были обновляться с периодичностью не более 10 с.
При анализе погрешностей ЧВП важно отметить, что между мо-
ментом оценки тех или иных параметров одним потребителем и мо-
ментом получения соответствующей информации другим потребителем
существует задержка. Соответственно чем выше временная корре-
ляция погрешностей, тем больше интервал времени, в течение ко-
торого информация, которой обмениваются потребители, сохраняет
актуальность. Для простоты изложения будем считать, что собствен-
ные координаты одного из потребителей априори известны, т. е. один
из потребителей принимается за базовую станцию (ВС).
Для оценки зависимости ЭПД, обусловленной погрешностями эфе-
меридной информации, от расстояния между пользователем и Б С
воспользуемся рис. 8.1 и непосредственно следующими из него выра-
жениями [19]:
/?п2 = ^Бс + ^2-2^БсСО5(?-а): 8
= R^c + d2 - 2dRsc cos ср,
где R'n — дальность от потребителя до расчётного местоположения
НКА; RqC —дальность от БС до расчётного местоположения НКА
в соответствии с эфемеридной информацией (точка НКА'); d — рас-
стояние между базовой станцией и потребителем; ср — угол места в НКА
из точки расположения БС; а — разность между значениями угла ме-
ста для истинного и расчётного местоположения НКА; R„ — дальность
от потребителя до истинного местоположения НКА; Две — дальность
от БС до истинного местоположения НКА.
Для НКА, расположенного под углами места более 5°, при рассто-
янии между БС и потребителем d = 1 000 км ЭПД вэй, обусловленную
погрешностью ЭИ, можно записать в следующем виде:
|5Дбс - 5ДП| < ad sin ср = d sin2 ср. (8.2)
АБС
Таким образом, ЭПД линейно возрастает с увеличением расстоя-
ния d, например, для d = 100 км и при погрешности эфемерид вэй = 5 м
некомпенсированная ЭПД 67? составит 0,025 м.
8.2.2. Погрешности, обусловленные тропосферной рефракцией
Погрешность навигационных определений вследствие прохождения
радиосигнала НКА через тропосферу определяется тем, что скорость
распространения электромагнитных колебаний зависит от темпера-
туры, давления и относительной влажности среды распространения
(см. разд. 6.2). Указанные параметры в точках нахождения потреби-
теля и БС могут достаточно сильно отличаться, что ограничивает воз-
можность полной компенсации тропосферной погрешности (рис. 8.2).
262
Рис. 8.1. Связь между погрешностью ЭИ
и ЭПД потребителя:
П — потребитель; Б С — базовая станция;
НКА — навигационный космический аппарат
Рис. 8.2. Оценка влияния тропосферной
рефракции на ЭПД:
П — потребитель; БС — базовая станция;
НКА — навигационный космический аппарат
Значение ЭПД 57?троп, обусловленное неполной компенсацией вли-
'Посферной рефракции, можно определить либо по выраже-
' 14), либо по следующей формуле [19]:
- 5ЯТРоп.бс I d ту-!— (1Д588 + 0,0029611 Ns) -
г п cos ср 7
- 0,3048[0,00586QVs - 360)2 + 294] (Ф;2-30 - ср-2’30), (8.3)
X
8.2. Пространственная и временная корреляция погрешностей навигационных определений
263
где Ns — индекс рефракции, среднее значение которого Ns = 360; у —
параметр, определяющий возрастание погрешности при малых (ме-
нее 10°) углах места НКА по отношению к потребителю.
На расстоянии 100 км измерения по НКА, расположенным под уг-
лом места 45°, будут иметь расхождение тропосферных погрешностей
на уровне 0,02 м. На рисунках 8.3 и 8.4 приведены зависимости раз-
ностей величин ЭПД тропосферной задержки от высоты потребителя
относительно БС и от расстояния между ними соответственно.
Глава 8. Дифференциальная навигация
Перепад высоты между потребителем и БС, км
Рис. 8.3. Зависимость разности ЭПД тропо-
сферной задержки от высоты при различных
значениях индекса рефракции:
/-3— ю°; 4—6 — 45°; 1, 4-Ns =400;
2. 5-^ =350; <?, 6-Ns =300
Рис. 8.4. Зависимость разности ЭПД, обу-
словленной тропосферной задержкой, от рас-
стояния между потребителем и БС при различ-
ных значениях индекса рефракции:
1—3 _ ю°; 4-6 - 45°; 1,4-NS = 400;
2, 5 - Ns = 350; 3, 6-Ns = 300
На рисунке 8.3 видно, что перепад высоты между точкой распо-
ложения потребителя и БС может приводить к возрастанию ЭПД
до 10 м. Необходимо отметить, что, хотя значение вертикальной тро-
посферной задержки при постоянном угле места меняется во времени
медленно, его вклад в общий бюджет погрешности может изменять-
ся гораздо быстрее из-за изменения угла места НКА вследствие его
движения по небесной сфере. Так, для стационарного потребителя
264
скорость изменения угла места может достигать 0,5°/мин, что для
iК Л. находящихся под углом места ср = 5°, выражается в изменении
. -ения ЭПД тропосферной задержки со скоростью 2 м/мин; при
• /людении НКА, находящегося под углом 10°, скорость изменения
ЭПД задержки достигает 0,64 м/мин.
8.2.3. Погрешности, обусловленные ионосферной рефракцией
11оносферная рефракция — один из важнейших факторов, опреде-
- - щих ЭПД навигационных измерений. Она также может отличаться
в *очках нахождения потребителя и БС. Значение некомпенсируемой
.дствие этих различий ЭПД можно оценить по формуле (6.8), ил-
стрируемой рис. 8.5:
'п । 1 1 40,3
>А..нп - О^ион.БС = —- —Т----------f2“ As =
cos V cos ч/п /
d т 40,3 KT to Л\
~ Wc ~ C°S Ф s’ )
При типичном значении ПЭС N-e = 50 TECU (50 1016 электрон/м2)
: юстоянии между потребителем и базовой станцией 100 км неком-
□енсируемая ЭПД первичного измерения псевдодальности по НКА,
расположенному под углом места ср = 45°, будет иметь значение око-
0,03 м (рис. 8.6). При оценке влияния ионосферы на точность
i !ТНП необходимо учитывать пространственные колебания электронов
ионосфере, которые обычно обусловливают возникновение обла-
тей с различными значениями ПЭС. При этом значения ПЭС в этих
Рис. 8.5. Оценка влияния ионосферной
рефракции на ЭПД
8.2. Пространственная и временная корреляция погрешностей навигационных определений
265
Рис. 8.6. Зависимость некомпенсированной ЭПД вследствие
ионосферной задержки от расстояния между БС и потреби-
телем при различных углах места:
/-<р= 10°; 2-<р = 30°; <?-<р = 60°
Глава 8. Дифференциальная навигация
областях изменяются гораздо значительней по сравнению с изменени-
ями ПЭС в зависимости от угла места наблюдения НКА. Разность
между значениями ЭПД вертикальной составляющей ионосферной
задержки (т. е. задержки для НКА. находящегося точно над потреби-
телем), возникающей вследствие неравномерного распределения ПЭС,
обычно составляет 0,2...0,5 м на расстояниях в 100 км, если ионосфе-
ра находится в спокойном состоянии. В случае сильного возмущения
ионосферы разница в значениях вертикальной ЭПД ионосферной за-
держки может превышать 4 м на расстояниях порядка 100 км.
Масштабные эксперименты [19] по исследованию зависимости
значений наклонных составляющих задержек в течение дневных часов
при различном состоянии ионосферы показали, что разность значе-
ний ЭПД ионосферных задержек для радиосигналов одного НКА,
принимаемого двумя приёмниками, разнесёнными на 400 км в сред-
неширотном регионе, составляет менее 2 м в 95 % случаев, даже
в момент пика 11 -летнего солнечного цикла. В то же время наличие
так называемых подвижных ионосферных возмущений, представляю-
щих собой небольшие области ионосферы (протяжённостью порядка
10 км) с большим значением ПЭС, обусловливает появление на трассе
распространения радиосигналов НКА участков с большими простран-
ственными градиентами ПЭС.
Ионосферные задержки обычно меняются во времени довольно
медленно, следуя местному суточному циклу: от очень низких уровней
в ночное время они возрастают до максимальных значений к полудню,
а затем снижаются до ночных значений. В среднеширотных регионах
скорость изменения ЭПД вертикальной ионосферной задержки ред-
ко превышает значения 0,08 м/мин. В других регионах наблюдались
скорости, достигающие 0,65 м/мин. Исследования последних лет по-
казывают [39], что иногда вследствие одновременного изменения как
угла места НКА, так и ПЭС на трассе распространения радиосигнала
могут наблюдаться скорости изменения ЭПД, превышающие 3 м/мин.
8.3. Методы дифференциальной коррекции
Ранее отмечалось, что основной задачей систем ДК является по-
вышение точности определения местоположения потребителя относи-
жно глобальных систем координат. Задача решается путём форми-
: вания на базовой (контролъно-корректирующей} станции (ККС)
— поправок, которые по соответствующему каналу связи пере-
z- - тся потребителю и используются им для коррекции (уточнения)
.льтатов собственных НВО. При этом можно использовать раз-
личные способы коррекции первичных измерений—от простейшей,
хнованной на передаче поправок непосредственно к вычисленным
••. ебителем координатам, до формирования глобальной КИ к ос-
- вным составляющим погрешности НВО. По составу параметров
•. ектируемой в АП информации можно выделить два класса ме-
~ дов ДК — на основе скалярных поправок (метод ДК координат по-
требителя и метод ДК измеряемых параметров) и методы, основанные
- а -спользовании векторных поправок.
В зависимости от площади зоны покрытия дифференциальные под-
хмы (ДПС) подразделяют на локальные (ЛДПС), региональные
• РДПС) и широкозонные (ШДПС). Ниже рассматрены основные осо-
жности построения и функционирования ЛДПС и РДПС; широко-
- иным системам посвящены разд. 8.4 и гл. 10.
8.3.1. Локальные ДПС
Принцип локальной ДК на основе скалярных поправок заключа-
-? в оценке погрешностей первичных ИТНП или координат потре-
теля и передачи данной информации потребителям, расположенным
а зоне действия ККС. Помимо задачи ДК указанная система обеспе-
шт потребителя информацией о целостности (ИЦ) навигационного
.печения (см. гл. 9).
^ прощённая структурная схема локальной системы ДК приведена
а а рис. 8.7. Основными составными частями системы являются ККС.
8.3. Методы дифференциальной коррекции
267
канал передачи КИ, аппаратура приёма и обработки КИ в АП. Сред-
ства управления станции обеспечивают её сопряжение с аналогичными
станциями, в случае если они образуют региональную сеть.
Глава 8. Дифференциальная навигация
Рис. 8.7. Структура локальной системы ДК
При использовании метода коррекции НП на ККС, собственные
геодезические координаты (%ккс, г/ккс, 2ккс) которой априорно из-
вестны с высокой точностью и используются в качестве эталонных,
размещается специализированная АП с малым уровнем случайной
погрешности измерения НП. С помощью этой АП обычным мето-
дом измеряется текущее значение НПккс (например, псевдодальность
•$ккс)- Одновременно на основе известных координат ККС и полу-
ченных из цифровой информации НКА координат и ЧВП вычисляет-
ся эталонное значение НПЭТ, которое сравнивается с измеренным.
Разница между текущими измерениями и эталонными значениями
ДНП = НПккс — НПЭТ используется для формирования поправок, пе-
редаваемых потребителю в составе КИ. Потребитель на основании
принятой КИ вносит поправки в значение НПИЗМ, измеренное его
АП, а затем скорректированное значение НПкор используется при
расчёте параметров его вектора состояния. Для каждого НКА ДПС
в составе КИ обычно передаёт одну (скалярную) поправку для сум-
марной (учитывающей все составляющие) погрешности измерений
псевдодальности (иногда сглаженную с учётом псевдофазовых из-
мерений).
Эффективность КИ определяется погрешностями АП эталонной
точки и объекта, расстоянием между ними, а также видом зависимо-
сти коэффициента корреляции погрешности измерения псевдодально-
сти от расстояния и времени. В разделе 8.2 показано, что, несмотря
на то что большинство погрешностей первичных измерений в точках
расположения потребителя и БС характеризуются высокой степенью
корреляции на расстояниях несколько сотен километров, на практике
268
-т i ктивным считается использование КИ при удалениях АП от ККС
iee чем на 200 км.
В отличие от рассмотренного выше метода коррекции ИТНП (псев-
дальностей), метод коррекции координат потребителя предусматри-
ет. что КИ формируется путём сопоставления эталонных координат
ККС с координатами, вычисленными входящей в её состав АП. По-
лные дифференциальные поправки (как разности эталонных и из-
еренных координат ККС) передаются потребителю в составе КИ,
• - : ый может уточнить по ним свои координаты. Этот метод наи-
более прост, так как не меняет основного алгоритма навигационных
пений АП объекта (поправки вводятся в уже вычисленные ко-
-аты), но налагает существенные ограничения на состав рабочих
звездий ККС и АП и используемых в них алгоритмов навигационных
иределений. Действительно, поправки к координатам, вычисляемые
_ ККС по её рабочему созвездию, являются состоятельными только
условии, что АП работает по этому же созвездию и использует
чные алгоритмы навигационных определений.
Переносить же поправки, найденные по одному созвездию, на ре-
- х_27Ы определений, полученные по другому созвездию, недопусти-
. кольку в этом случае использование КИ приводит не к умень-
а к увеличению погрешности навигационных определений,
чно при использовании в ККС и АП неидентичных алгоритмов
огут возникнуть дополнительные некоррелированные составляю-
м горитмической погрешности. По этим причинам в современ-
>актике данный метод фактически не используется, поскольку
:f..v -ренный выше метод коррекции НП лишён указанных недо-
ъисимости от места использования КИ в системе потребителей
азличают прямой и инверсный дифференциальные методы.
/7ря.чой метод предусматривает использование КИ непосред-
гя - 'В АП для уточнения параметров его вектора состояния. Этот
• _ получил наибольшее распространение, поэтому в большинстве
? АП имеется интерфейс для приёма КИ в соответствующем
* определённом международными или национальными стан-
астаки.
Инверсный метод используется в тех случаях, когда требует-
। уточнение вектора состояния объекта не в точке его нахождения,
н - ором другом пункте, на котором осуществляется контроль по-
ъекта или управление его движением. При этом с АП кон-
ИМ ' ого объекта на пункт управления (контроля) транслируются
льтаты первичных измерений, либо текущие координаты, до-
t информацией о составе рабочего созвездия, по которому
-• лены. В пункте управления (контроля) полученные данные
•. с: • ’ лотся с использованием КИ, поступающей от ККС, которая
•' * ' •. - располагаться в самом пункте управления, так и находить-
• I месте. Уточнённые в результате коррекции навигационные
8.3. Методы дифференциальной коррекции
269
данные затем могут ретранслироваться на объект или использоваться
на пункте управления как в реальном времени, так и в режиме пост-
обработки.
В таблице 8.1 приведены сравнительные данные бюджета погреш-
ности навигационных определений при использовании локальной диф-
ференциальной системы, из которых следует, что погрешность нави-
гационных определений в дифференциальном режиме без учёта мно-
голучёвости не превысит 1 м на расстояниях в несколько десятков
километров.
Таблица 8.1
Бюджет погрешности в абсолютном
и дифференциальном режимах
Глава 8. Дифференциальная навигация
Источник погрешности Абсолютный режим, м Дифференциальный режим
Эфемериды 0,70 0,001...0,006 м/км • L* (км)
чвп 1,2 0,0
Ионосферная задержка 2,00 0,002.. .0,04 м/км • L (км)
Тропосферная задержка 0.50 0,01...0,04 м/км-А (км)
Погрешности АП 0,5 0,7
Всего 2,53 0,70 + 0,01...0,06 м/км-L (км)
* L — расстояние от ККС до потребителя.
Необходимо отметить, что развитие систем функциональных допол-
нений также происходило в направлении совершенствования средств
доставки КИ потребителям. Первоначально для этого использовались
традиционные средства связи, например УКВ. Следующим этапом ста-
ло создание космических каналов доставки данной информации через
КА на ГСО. В настоящее время всё более широкое применение, осо-
бенно в промышленно развитых регионах, приобретает передача вспо-
могательной информации через наземные сети сотовой связи. Данная
технология получила условное обозначение Assisted GNSS (A-GNSS).
8.3.2. Региональные ДПС
Региональные ДПС строятся на базе объединённых в общую сеть
ЛДПС, что обеспечивает значительное увеличение радиуса действия,
который составляет 500.. .2 000 км. В состав РДПС входят несколь-
ко десятков ККС, объединённых в общую сеть. Так, американская
РДПС NDGPS включает около 200 наземных ККС, размещённых
на территории США. При этом общее количество ККС различной ве-
домственной принадлежности в США превышает 1 000. КИ РДПС
формируется путём дополнительного сглаживания (весового сумми-
270
ния) скалярных дифференциальных поправок (ДП), вырабатыва-
входящими в систему ККС. Поскольку эффект от использования
снижается с увеличением расстояния до ККС, весовые коэффи-
должны учитывать расстояние между ККС и потребителем,
щбольший вес будут иметь ДП, сформированные на ближайшей
бителю ККС.
Нзпример, в случае использования сети из четырёх ККС мож-
'с пользовать следующие выражения для определения широты Хп
ты срп местоположения потребителя [19]:
W N N
\n = ^WfXi, (рп = 2^-ф/, 2^,
/=1 1=1 1=1
(8.5)
— широта /-й ККС; срп—долгота г-й ККС; да,—весовой ко-
'tz оиент для /-й ККС; z—номер ККС; N = 4 — количество ККС,
Кг зхемых для навигационных определений.
Наиболее распространённым подходом использования сети ККС
•лктся двухэтапная процедура. На первом этапе координаты потре-
определяются с использованием КИ от каждой ККС отдельно,
шим этапом является определение координат потребителя как
к _ .иной суммы полученных на первом этапе оценок в соответствии
. . Значение весового коэффициента да,- определяется отношени-
-•* 2 КП КИ и расстояния между потребителем и соответствующей
станцией, а также требованием нормировки суммы весовых
• « -циентов. Необходимо отметить, что СКП оценки координат
методом в сравнении с обычным методом, предполагающим
м/'. .* -ование только одной базовой станции, уменьшается.
Параллельно с развитием ДПС, обеспечивающим НВО с погреш-
• - менее 1 м (СКП), были разработаны и до настоящего вре-
-«трояно улучшаются методы ОИ, которые позволяют осу-
вствлять навигационные определения с погрешностями на уровне
1. сантиметров за счёт использования псевдофазовых измерений
'.4). Подобный скачок точностных характеристик не остался
;. ченным разработчиками классических РДПС, и в настоящее
кеи - з системе NDGPS предусмотрен режим высокоточного опреде-
я .стоположения, позволяющий потребителю определять коор-
погрешностью 0,1 м (по уровню вероятности 0,95).
8.3. Методы дифференциальной коррекции
8.4. Широкозонные дифференциальные
подсистемы
дай>ап
Глава 8. Дифференциальная навигация
8.4.1. Общие принципы построения
Следующий шаг развития ДПС базируется на переходе от ска-
лярных к векторным поправкам, компоненты которых соответству-
ют отдельным составляющим погрешностей измерений (погрешности
эфемерид, ЧВП и ионосферная задержка). Этот принцип реализуется
в ШДПС. С помощью ШДПС решаются две основные задачи:
1) передача потребителям КИ к ЭВИ и данных о величине верти-
кальной ионосферной задержки для повышения точности НВО;
2) передача потребителям ИЦ для повышения надёжности навига-
ции (см. гл. 9).
В состав ШДПС входит сеть станций сбора измерений (ССИ),
центры управления, станции закладки и средства контроля. Каждая
ССИ, принимая сигналы от всех видимых ей НКА, формирует по-
ток из первичных ИТНП и радиосигналов НИ с борта НКА, который
передаётся в реальном времени в центры управления. Центры рассчи-
тывают вектор поправок, включающий поправки к БШВ и эфемеридам
каждого НКА и параметры модели ионосферной задержки, соответ-
ствующие зоне, покрытой ССИ, а также формирует ИЦ. Сформи-
рованные КИ и ИЦ могут передаваться потребителям по различным
каналам связи. В силу многих причин для ШДПС наиболее подходя-
щим способом передачи потребителям информации является ретранс-
ляция данных с наземных станций через спутник, т. е. они относят-
ся к дифференциальным системам космического базирования (Space
Based Augmentation System — SBAS). Соответственно ШДПС, как
и ГНСС, состоят из трёх основных сегментов — наземного, космиче-
ского и сегмента пользователей. Использование спутниковых ретранс-
ляторов позволяет предоставлять услуги на значительной территории,
существенно превышающей суммарную зону ЛДПС и РДПС: протя-
жённость рабочих зон существующих ШДПС составляет несколько
тысяч километров.
272
Услуги ШДПС просты в использовании и позволяют повысить
качество решения широкого круга задач НВО, включая повышение
* юности. Наземная инфраструктура ШДПС относительно проста, что
желает её услуги востребованными, например, при обеспечении на-
- гании на необорудованных аэродромах малой авиации, поскольку,
в отличие от других систем, в данном случае не требуется установ-
ка специального оборудования на территории каждого аэродрома.
Н .вигация с помощью ШДПС используется и на магистральных
маршрутах, поскольку высокая точность НВО позволяет самолёту
.ч-теть по кратчайшему пути, не придерживаясь коридоров, в кото-
\ НВО обеспечивается специальными наземными навигационными
средствами. При этом возможность приёма сигналов ШДПС практи-
чески не зависит от рельефа местности, соответственно расширяются
возможности выбора высоты полёта. Таким образом, при использова-
яии ШДПС повышается безопасность полётов, а также достигается
значительная экономия топлива и времени за счёт спрямления марш-
рутов и выбора оптимальной высоты.
Нагляднее всего экономический эффект от ШДПС показывает
опыт использования данной системы в США. Стоимость годового
ддержания технической и эксплуатационной готовности ШДПС,
'служивающей все 5400 гражданских аэропортов, обходится при-
мерно в 50 млн долл. США, в то время как расходы на систему
•дземного базирования, такую как ИПС, установленную только в 600
а ^репортах, составляют около 82 млн долл. США ежегодно. Затраты
z проведение сертификации аэродрома на возможность использо-
вания услуг ШДПС для одного аэропорта составляют около 50000
долл. США, в то время как развёртывание системы ИПС обходится
т 1 до 1,5 млн долл. США.
Рис. 8.8. Широкозонные дифференциальные подсистемы:
-WAAS;
- GAGAN;
-EGNOS;
- СДКМ;
-MSAS
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
273
Глава 8. Дифференциальная навигация
В настоящее время функционируют три ШДПС (рис. 8.8):
1) Wide Area Augmentation System (WAAS) (США);
2) Multiple weather-observation and air Traffic control SATellite
(MTSAT), Satellite Augmentation System (MSAS) (Япония);
3) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)
(EC).
Активные работы по созданию ШДПС проводит Индия, которая
разворачивает систему GPS and Geo Augmented Navigation (GAGAN).
В РФ в настоящее время также развивается собственная широко-
зонная система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ),
которой посвящена гл. 10.
8.4.2. Проект WAAS
Общие сведения. Wide Area Augmentation System (WAAS)
разработана Министерством транспорта США (Department of Trans-
portation) совместно с Федеральным управлением гражданской авиа-
ции США (Federal Aviation Administration — FAA) как часть Феде-
ральной радионавигационной программы (DOT-VNTSC-RSPA-95-1
DOD-4650.5), начавшейся в 1994 г. Главной задачей программы яв-
лялось предоставление услуг НВО, которые обеспечат возможность
всем категориям воздушных судов осуществлять высокоточные заходы
на посадку по 1-й категории ICAO при использовании сертифици-
рованной АП. Поскольку разработка WAAS начиналась в условиях
активного использования режима селективного доступа к навигаци-
онным радиосигналам НКА GPS, от WAAS требовалось не только
обеспечить потребителя информацией о величинах ионосферной за-
держки, но и компенсировать рукотворные ошибки, вносимые в ЭВИ.
Необходимо отметить, что традиционная ИПС для высокоточных
заходов на посадку предполагает использование множества радиопе-
редатчиков, каждый из которых посылает свой определённый сигнал
воздушному судну. Эти передатчики должны быть установлены по пе-
риметру взлётно-посадочной полосы (ВПП), а также за её пределами.
Всё это делает применение ИПС для контроля посадки трудным и за-
тратным. В результате масштабных работ по модернизации и улуч-
шению ИПС была разработка коротковолновая посадочная система
(КПС, Microwave Landing System), которая конструктивно размеща-
ется в одном или двух контейнерах, устанавливаемых за пределами
ВПП, что существенно сокращает расходы на её установку. Кроме то-
го, КПС позволяет решать целый спектр дополнительных задач. Тем
не менее подобные системы также требуют установки специального
оборудования в каждом аэропорту и на борту каждого воздушного
судна и поэтому применяются только в аэропортах с интенсивным
движением и на дорогостоящих самолётах.
В связи с бурным развитием малой авиации, увеличением коли-
чества небольших аэродромов, стремительным ростом частного парка
самолётов стала очевидна задача поиска новых методов решения задач
274
НВО на необорудованных аэродромах. Развитие КПС совпало по вре-
мени с вводом GPS в эксплуатацию. Успешный опыт эксплуатации
первых же опытных образцов АП GPS, которые предоставляли мно-
- ство преимуществ пилотам за счёт объединения многих навигацион-
ных систем воздушных судов (в частности использующихся при полё-
тах на дальние расстояния) в одну-единственную простую в использо-
вании систему, вывел на передний план вопрос о замене существую-
щего оборудования на новую систему, которая бы пришла на смену
Национальной аэрокосмической системе США (National Aerospace
stem).
При установке на воздушных судах навигационных систем на осно-
&е GPS необходимо было корректно решать задачу замещения суще-
.-вующего навигационного оборудования. В связи с этим FAA нача-
да планировать сокращение существующих систем дальней навигации
ътя их замещения GPS. Однако предоставляемые в середине 1990-х
дов услуги GPS не решали задачи навигации при заходах на посад-
•требующей значительно более высокой точности определения ме-
стоположения, чем во время остальной части полёта. GPS не могло
'еспечить такую точность и заменить существующие системы нави-
гации. Погрешность НВО при активном режиме селективного доступа
. ставляла 100 м при определении плановых координат и 156 м при
ределении высоты (с вероятностью 0,95) при том, что требования
- навигационному обеспечению при посадке по 1-й категории ICAO
с ставляют 4 м по вертикали (с вероятностью 0,95). Кроме того, значи-
ельный вклад в увеличение погрешности НВО вносит ионосферная ре-
тракция, которая имеет свойство изменения в пространстве и времени
(см. гл. 6), но скорость подобных изменений достаточно мала, что поз-
воляет определять величину задержки радиосигналов НКА в ионосфере
различными методами. Оперативное доведение информации о величине
(оносферной задержки радиосигнала каждого НКА позволяет суще-
ственно снизить влияние ионосферной рефракции на точность НВО.
Указанные обстоятельства явились исходными данными для раз-
работки в 1995 г. (рис. 8.9) концепции построения дифференциальной
подсистемы GPS. которая использует навигационные радиосигналы
НКА для формирования КИ к ЭВИ и оценки величин задержек на-
агационных радиосигналов в ионосфере для предоставления услуг
ВО при управлении воздушными судами в боковом и вертикаль-
ном направлениях на этапе высокоточного захода на посадку во всех
аэропортах в зоне обслуживания. При этом для доставки информации
был выбран способ прямой ретрансляции КИиИЦ с наземных станций
-ерез КА на ГСО, а система получила название WAAS
Услуги WAAS. WAAS предоставляет потребителю услуги, которые
позволяют повысить точность, доступность и обеспечивают целост-
ость НВО.
Тактико-техническими требованиями на WAAS определена необ-
ходимость обеспечения точности навигационных определений потре-
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
275
Глава 8. Дифференциальная навигация
- 2014
-2013
-2012 . .
- 2011
-2010
- 2009
- 2008 /1
L 2007
- 2006
: ——
- 2005
- 2004
^2003 “
- 2002
- 2001
- 2000
- 1999
- 1998
- 1997
-1996
Сентябрь 2013. Модернизация программных комплексов (WAAS
Версия 4)
Сентябрь 2012. Lockheed Martin Services Inc. заключила контракт
на изготовление КА WAAS № 5 и 6
Декабрь 2011. Повышена надёжность формирования данных об
ионосферной задержке (WAAS Версия ЗА)
Сентябрь 2011. Модернизированы маршрутизаторы системы пере-
дачи данных (WAAS Версия 2В)
Ноябрь 2010. КА Inmarsat AMR начал предоставлять услуги из ор-
битальной позиции 98° з. д. (WAAS Версия 2А)
Сентябрь 2007. Новые станции развёрнуты в Мексике и Канаде
Март 2006. КА Galaxy XV начал предоставлять сертифицирован-
ные услуги, возобновлено предоставление услуг в северо-восточной
части США
Февраль 2006. WAAS прошла сертификацию на предоставление
услуги «слепой» посадки до высоты 200 футов над ВВП
Ноябрь 2005. КА Inmarsat AOR-W сместился из орбитальной пози-
ции 54° з. д. на 142° з. д., прекратив обслуживание восточной части
США
Сентябрь 2005. Осуществлен запуск спутника PanAmSat Galaxy XV
Июнь 2005. Осуществлен запуск спутника Telesat Anik FIR
Март 2005. Первая в мире Международная станция функциональ-
ных дополнений установлена в Канаде
Октябрь 2004. Федеральное агентство воздушного транспорта вы-
брало фирму подрядчика для наземного сегмента сети Lockheed
Martin
Сентябрь 2004. Федеральное агентство воздушного транспорта
утвердило Garmin 480 как первый авиационный GPS/WAAS-приём-
ник
Июль 2003. Проведены осмотры мест в Канаде и на Аляске
Февраль 2003. Федеральное агентство воздушного транспорта вве-
ло в эксплуатацию WAAS
Октябрь 1999. Осуществлён первый коммерческий полёт с исполь-
зованием GPS/WAAS-приёмника
1997. Начало передачи сигнала WAAS в тестовом режиме
Июнь 1997. Raytheon Systems поручило управление разработкой
WAAS компании Hughes Aircraft
Декабрь 1996. Осуществлён запуск КА Inmarsat AOR-W
Октябрь 1996. Осуществлён запуск КА Inmarsat POR
Апрель 1996. Компания Hughes Aircraft получила контракт
на реализацию фазы 1 WAAS
Декабрь 1995. Аннулирован контракт с Wilcox Electric
Август 1995. Разработана архитектура WAAS
1995. Wilcox Electric получил контракт на создание системы WAAS
Рис. 8.9. Этапы развития WAAS
бителя на уровне 7,6 м (с вероятностью 0,95) для плановых координат
и высоты. Практический опыт эксплуатации показал, что при исполь-
зовании КИ система обеспечивает определение плановых координат
потребителя с погрешностью 1 м (с вероятностью 0,95) и высоты
потребителя с погрешностью 1,5 м (с вероятностью 0,95) на всей
276
территории США и большей части Канады и Аляски. Подобный уро-
вень точности позволяет с большим запасом обеспечить выполнение
-ребований воздушных потребителей к посадке по I категории ICAO:
погрешность определения плановых координат — 16 м (с вероятностью
,95) и погрешность определения высоты —4 м (с вероятностью 0,95).
Доступность НВО при использовании WAAS достигается за счёт
передачи КИ и ИЦ в составе НИ радиосигнала КА на ГСО, кото-
рый выполняет функции радионавигационной точки за счёт излучения
гадиосигнала в диапазоне 1Л на частоте 1 575,42 МГц. В ходе раз-
вития WAAS предполагается излучение навигационного радиосигнала
диапазоне L5 на частоте 1 176,45 МГц. За счёт дополнения орбиталь-
ной группировки GPS НКА WAAS доступность НВО на территории
ША была повышена до уровня 99,999 %, что эквивалентно уменьше-
нию перерывов в навигационном обеспечении с использованием GPS
на территории США с 4 дней до 5 мин в год.
Целостность НВО означает способность системы выявлять и пре-
дупреждать потребителя о нарушении в работе ГНСС, которое может
овлечь неправильное решение навигационной задачи в АП. WAAS
позволяет обнаруживать и предупреждать потребителя о подобных
сбоях в GPS в течение 6,2 с, что удовлетворяет требованиям безопас-
ности Правил полёта по приборам. В ходе сертификации WAAS было
подтверждено, что вероятность того, что сбой в работе GPS или самой
WAAS не будет обнаружен, не превышает 1 • 107, что эквивалентно
3 с некорректных данных в год. Таким образом, WAAS обеспечивает
злостность НВО, превосходящую алгоритмы автономного контроля
-злостности или сопоставимую с ними (гл. 9).
Обобщённые требования потребителя к услугам WAAS определя-
• *ся набором характеристик, которые объединяются в группы требо-
=зний по управлению воздушным судном. На рисунке 8.10 приведена
ненка соответствия качества НВО с использованием данных WAAS
бованиям потребителей.
Архитектура. WAAS состоит из трёх основных сегментов: назем-
ного, космического и пользовательского (рис. 8.11).
Наземный сегмент WAAS состоит из сети, включающей 38 опорных
станций (ОС) (WAAS Reference Station —WRS) в Северной Амери-
ке и на Гавайях (табл. 8.2), трёх главных станций (WAAS Master
ation — WMS), шести земных станций закладки (Ground Uplink
St ation — GUS) и двух центров мониторинга и управления.
Каждая ОС включает троированный комплект приёмных устройств
тиосигналов НКА GPS, которые обеспечивают формирование
ИТНП по навигационным радиосигналам в диапазонах LA и L2 с ча-
стотой 1 Гц. Полученные ИТНП совместно с НИ и данными об от-
- зении сигнал/шум принятых радиосигналов передаются в главные
ции по надёжным каналам связи. При этом для передачи данных
. Аляски используются спутниковые каналы связи. Опорные станции
-•..т.е принимают сигналы с геостационарных КА WAAS, таким об-
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
277
Рис. 8.10. Соответствие услуг WAAS требованиям
потребителей на территории Северной Америки
на 21 августа 2013 г.
Глава 8. Дифференциальная навигация
Барроу
Фэрбанкс
Икалуит
Джуно
Колд-Бей
Палмдейл
Гонолулу
* °Ронконкома
о
Лисберг
Гус-Бей
° Гандер
~ Коцебу
о
Бетел о
Анкоридж0
0 оВиннипег
Оберн о* Биллингс
г ° Фармингтон Оперлин о Нашуа
Солт-Леик-Сити г о °
Орора0
Лонгмонт ^;мфис
о Альбукерке о Хэмптон
Форт-Уэрт0 . Ч оДжЭКСОНВИЛЛ
Хьюстон . Майами
КА Inmarsat 4F3
КА Galaxy 15
КА Ahik FIR
НКА GPS
НКА GPS
Сан-Хосе-дель-Кабо о
о
Пуэрто-Вал ьярта
Мерида
Мехико о
©
Сан-Хуан
о
Тапачула0
Рис. 8.11. Архитектура WAAS:
о — широкозонные опорные станции; и] — широкозонные главные станции; • — широкозонные
опорные станции в Мексике и Канаде; (g) — станции закладки
278
Таблица 8.2
Станции WAAS
Населённый пункт Иденти- фикатор Плановые координаты Высота, м
Бетел, Аляска РАВЕ 60,787898226° с. ш. 161,841705626° з.д. 52,202
Биллингс, Монтана KBIL 45,803726761° с.ш. 108,539727967° з.д. 1 112,261
Барроу. Аляска PABR 71,282786134° с.ш. 156,789914977° з.д. 15,581
Колд-Бей, Аляска PACD 55,200376531° с.ш. 162,718528459° з.д. 53,652
Фэрбанкс, Аляска PAFA 64,809686817° с.ш. 147,847403468° з.д. 149,888
Гонолулу, Гавайи PHNL 21,312783159° с.ш. 157,920876933° з.д. 24,922
Джуно, Аляска PAJN 58,362530123° с.ш. 134,585495176° з.д. 16,024
Мерида, Мексика MMMD 20,931919004° с.ш. 89,662872977° з.д. 29,157
Мехико, Мексика МММХ 19,431653193° с.ш. 99,068389463° з.д. 2236,638
Пуэрто-Вальярта, Мексика MMPR 20,679034758° с. ш. 105,249200735° з.д. 11,077
Сан-Хосе-дель- Кабо, Мексика MMSD 23,160416093° с.ш. 109,717667886° з.д. 104.286
Тапачула, Мексика ММТР 14,791340027° с.ш. 92,367991216° з.д. 54,922
Коцебу, Аляска РАОТ 66,887352636’ с.ш. 162,611355542° з.д. 10,911
Икалуит, Канада CYFB 63,731446844° с.ш. 68,543393603° з.д. 9,998
Гандер, Канада CYQX 48,966447828° с. ш. 54,597532074° з.д. 146,891
Виннипег, Канада CYWG 49,900606898° с. ш. 97,259280113° з.д. 222,046
Гус Бей, Канада CYYR 53,308720955° с. ш. 60,419401330° з.д. 37,842
Альбукерке, Нью- Мексико KZAB 35,173560874° с.ш. 106,567308273° з.д. 1 620,154
Анкоридж, Аляска PAZA 61,229174557° с.ш. 149,780364869° з.д. 80,654
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
279
Окончание табл. 8.2
Глава 8. Дифференциальная навигация
Населённый пункт Иденти- фикатор Плановые координаты Высота, м
Орфа, Иллинойс KZAU 41,782616622° с.ш. 88,331308050° з.д. 195,922
Нашуа, Нью- Гемпшир KZBW 42,735705193° с.ш. 71,480378445° з.д. 39,141
Лисберг, Вирджиния KZDC 39,101556058° с.ш. 77,542750106° з.д. 80,085
Лонгмонт, Колорадо KZDV 40,187286655° с.ш. 105,127181633° з.д. 1 541,389
Форт-Уэрт, Техас KZFW 32,830614792° с.ш. 97,066488376° з.д. 155,604
Хьюстон, Техас KZHU 29,961833882° с.ш. 95,331462501° з.д. 10,947
Хиллард, Флорида KZJX 30,698824796° с. ш. 81,908178358° з.д. 2,141
Олейс, Канзас KZKC 38,880140378° с.ш. 94,790729104° з.д. 305,814
Палмдейл, Калифорния KZLA 34,603503189° с.ш. 118,083872233° з.д. 763,546
Солт-Лейк-Сити, Юта KZLC 40,786007936° с. ш. 111,952158417° з.д. 1 287,420
Майами, Флорида KZMA 25,824644475° с. ш. 80,319246501° з.д. -7,882
Мемфис, Теннесси KZME 35,067423639° с. ш. 89,955391700° з.д. 68,788
Фармингтон, Миннесота KZMP 44,637444415° с.ш. 93,152039309° з.д. 262,667
Ронконкома, Нью- Йорк KZNY 40,784293219° с.ш. 73,097181151° з.д. 6,108
Фримонт, Калифорния KZOA 37,543019928° с.ш. 122,015922570° з.д. -3,459
Оберлин, Огайо KZOB 41,297135898° с.ш. 82,206391657° з.д. 224,115
Оберн, Вашингтон KZSE 47,286919203° с.ш. 122,188372739° з.д. 82,128
Сан-Хуан, Пуэрто- Рико TJZS 18,431249167° с.ш. 65,993480433° з.д. -28,547
Хэмптон, Джорджия KZTL 33,379671593° с.ш. 84,296678124° з.д. 261,142
280
разом обеспечивая целостность и для сигналов WAAS. По состоянию
ка август 2013 г. в системе насчитывалось 38 опорных станций:„20 —
юновной территории США, 7 —на Аляске, 1—на Гавайях, 1 —
- 1уэрто-Рико, 5 — в Мексике и 4 — в Канаде
Корректирующая информация и ИЦ в виде потока стандартизо-
жых сообщений [40] поступают на наземные закладочные станции
ждя передачи на борт КА на ГСО для прямой ретрансляции на АП.
Космический сегмент состоит из КА на ГСО, которые ретрансли-
- т КИ и ИЦ в составе НИ радиосигналов на частоте 1 575,42 МГц,
--.^яющейся несущей частотой навигационных радиосигналов НКА
PS. Регламентом ВВС США для широкозонных функциональных
дополнений выделены номера кодовых последовательностей дально-
мерной ПСП из семейства кодов Голда Li С/А начиная со 120-го
п 158-й включительно (табл. 8.3). При этом первоначально предпо-
лагалось использовать лишь последовательности с номерами по 139-й
включительно, однако стремительное развитие SBAS привело к необ-
ходимости расширения диапазона возможных значений в 2 раза.
На момент написания данной книги (август 2013 г.) космический
сегмент состоял из трёх КА на ГСО Inmarsat 4F3, Telesat’s Anik FIR
Intelsat’s Galaxy 15 (рис. 8.12).
Рис. 8.12. Зона действия КА WAAS
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
Опыт эксплуатации двух первых КА WAAS Pacific Ocean Region
(POR) и Atlantic Ocean Region-West (AOR-W), арендованных
до 31 июля 2007 г., КА серии Inmarsat 3 показал необходимость
дополнительного резервирования орбитальной группировки на слу-
чай выхода из строя любых двух КА. Поэтому в конце 2005 г. были
запущены два новых КА — Galaxy 15 и Anik FIR, находящиеся в one-
281
Таблица 8.3
Коды дальномерной ПСП для КА SBAS
Глава 8. Дифференциальная навигация
Номер кодовой последователь- ности Система KA Орбитальная позиция
120 EGNOS Inmarsat 3F2 15.5° з.д.
121 EGNOS Inmarsat 3F5 25° в.д.
122 WAAS AOR (Inmarsat 3F4) (прекратил работу) 142° з.д.
123 — Свободен —
124 EGNOS Artemis 21,5° в.д.
125 сдкм Луч-5Б 16° з.д.
126 EGNOS Inmarsat 4F2 25° в.д.
127 GAGAN G SAT-10 55° в.д.
128 GAGAN G SAT-8 83° в.д.
129 MSAS MTSAT-1R 140° в.д.
130 — Inmarsat 4F1 64° в.д.
131 — Inmarsat 3F1 64° в.д.
132 — — —
133 WAAS Inmarsat 4F3 AMR 98° з.д.
134 WAAS POR (Inmarsat 3F3) (прекратил работу) 178° в.д.
135 WAAS LM RPS-1 (Galaxy 15) 133° з.д.
136 — Резерв Inmarsat 8° в.д.
137 MSAS MTSAT-2 145° в.д.
138 WAAS LM RPS-2 (Anik FIR) 107° з.д.
139 — — —
140 сдкм Луч-5В 95° в.д.
141 СДКМ Луч-5А 167° в.д.
ративном управлении компаний PanAmSat и Telesat соответственно,
и дополненные в сентябре 2009 г. КА Inmarsat 4F3. Космические ап-
параты Galaxy 15 и Anik FIR помимо доставки КИ и ИЦ позволяют
потребителю осуществлять навигационные определения с помощью
своих радиосигналов, т. е. являются ОРНТ. В ходе лётных испытаний
КА Inmarsat 4F3 реализовать данный режим не удалось, поэтому этот
КА является лишь средством доставки КИ и ИЦ потребителю.
282
Внедрение Программы запусков I Фазы
1<>Д
1-я очередь (фаза 1)
Полная система (фаза II)
Сертификация (фаза III)
Две частоты (фаза IV)
КА #1 — AOR 1 Начальная ор-
КА#2- AOR I витальная груп-
' пировка
КА #3-Intelsat (CRW)
КА #4 - TeleSat (CRE)
Резервный КА (AMR)
КА #5 — план
КА #6 — план
КА #7 — план
WAAS Procedure Development
С июня 2001 г. услуги WAAS
в части режимов LP/LPV
дублируют ИПС
Ввод в эксплуатацию
JRC
Заменён на КА #3
Заменён на КА #4
Разрядка батарей
Запуск 10/05 Потеря управл. Повторный ввод
Создание
Эксплуатация
Создание
Эксплуатация
Создание
Эксплуатация
Эксплуатация
Эксплуатация
Эксплуатация
Эксплуатация
Эксплуатация
Создание
Запуск 09/05
Запуск 09/06
Эксплуатация
Запуск 2014
Запуск 2017
5,218
Эксплуатация
Эксплуатация
иидит
Рис. 8.13. Программа развития WAAS
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
Эксплуатация
Эксплуатация
Глава 8. Дифференциальная навигация
Правильность выбранной стратегии резервирования подтвердилась
на этапе штатной эксплуатации КА Galaxy 15, который прекратил
отвечать на команды НКУ 5 апреля 2010 г. вследствие сильного возму-
щающего воздействия солнечной активности на бортовую аппаратуру.
Контроль над КА удалось восстановить лишь 23 декабря 2010 г.,
когда его аккумуляторы разрядились, и оборудование командного мо-
дуля было перезагружено. За это время два оставшихся КА сменили
орбитальные позиции, сдвинувшись на 40° на запад, что позволило
обеспечить услугами основную территорию США. Однако проблемы
с приёмом сигналов WAAS для 16 аэропортов Аляски были решены
лишь в апреле 2011 г., когда вышедший из строя КА вновь был введён
в систему и начал использоваться по целевому назначению.
Пользовательский сегмент WAAS составляет специализированная
АП, способная принимать радиосигналы НКА GPS и КА WAAS и ис-
пользующая КИ и ИЦ для уточнения своего местоположения и обес-
печения целостности НВО. Опция приёма корректирующей информа-
ции WAAS присутствует в программном обеспечении практически всех
классов АП, как коммерческой, так и профессиональной. Алгоритм
работы таких приёмников учитывает наличие двух типов информа-
ции, передаваемой НКА, — быстроменяющейся и медленноменяющей-
ся (см. подразд. 10.2.3).
Рис. 8.14. Сеть аэропортов в зоне обслуживания WAAS
284
Программа развития. Основные направления развития системы
WAAS до 2025 г. имеют целью устранение имеющихся в настоящее
время недостатков и ограничений. Первоочередной задачей являет-
ся расширение сети ОС для обеспечения непрерывной доступности
вертикального сопровождения на всей территории Соединённых Шта-
тов, большей части Аляски, южной части Мексики и северной части
Канады, а также повышение точности расчёта параметров ионосфер-
ной модели. Рассматривается вопрос о расширении зоны уверенного
приёма сигналов WAAS в Южной Америке. Ставится задача улучше-
ния точности для удовлетворения более высоким требованиям по вы-
сокоточным заходам на посадку. Кроме того, планируется введение
усовершенствованного программного обеспечения и вычислительной
техники, которое позволит значительно повысить надёжность контро-
ля функционирования системы и её характеристики (рис. 8.13).
Главное планируемое улучшение — полное удовлетворение в 2013 г.
требованиий LPV-200 для сопровождения высокоточных заходов
на посадку с высоты 61 м (200 футов) во всех аэропортах США
(рис. 8.14).
8.4.3. Проект EGNOS
Общие сведения. Система EGNOS (European Geostationary Navi-
gation Overlay System), разработанная по заказу Европейским косми-
ческим агентством (ЕКА) в сотрудничестве с Евроконтролем
(Европейское агентство по аэронавигационной безопасности) и Ев-
ропейской комиссией, начала функционировать с середины 2005 г.
Главная цель EGNOS—улучшение НВО, в частности точности
и целостности (при заданном уровне доступности и непрерывности)
на территории стран Европейской ассоциации гражданской авиации
с возможностью расширения зоны действия на соседние регионы. Си-
стема EGNOS должна обеспечивать нужды различных видов транс-
порта, включая гражданскую авиацию, морской транспорт, а также
наземных пользователей.
Активное внедрение услуг EGNOS в систему НВО различных
-.атегорий потребителей объясняется тем, что система создана кос-
мическим агентством, а не Евроконтролем. Поэтому при разработке
EGNOS решались не только задачи удовлетворения потребностей
потребителей в гражданской авиации, но и задачи всех категорий по-
* ебителей в сфере транспорта.
Работы по созданию функционального дополнения GPS на базе
КА на ГСО, излучающего навигационный радиосигнал, были начаты
Французским центром изучения космоса (CNES) в 1994 г. (рис. 8.15).
Проект получил название EURIDIS и был реализован с использова-
ем КА Inmarsat 3F2.
Начиная с 1996 г. работы по созданию EGNOS проводятся под ру-
ководством компании Thomson, Alcatel (поглотила Thomson), Alcatel
Alenia (образована в результате слияния французской Alcatel и италь-
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
285
Глава 8. Дифференциальная навигация
- 2014 - 2013
- 2012 - 2011 - 2010
- 2009“ - 2008
- 2007 - 2006
- 2005 - 2004
- 2003
- 2002
- 2001 - 2000
- 1999 ~ - 1998 - 1997
- 199о - 1995
- 1994
Март 2014. Запланирован запуск спутника Astra-5B в орбитальную по-
зицию 31,5° з. д.
Июнь 2012. Осуществлён запуск спутника SES-5 в орбитальную позицию
5° в. д.
Октябрь 2009. Спутник Inmarsat 4F2 законтрактован для передачи сигна-
лов EGNOS
Апрель 2009. Функции государственного заказчика от ЕКА переданы Ев-
ропейской комиссии
Январь 2009. Ввод в эксплуатацию EGNOS V.2.2. | 34 станции и 3 КА|
Июнь 2007. Alcatel заключает контракт на доработку и развитие EGNOS
Ноябрь 2005. Осуществлён запуск спутника Inmarsat 4F2 в орбитальную
позицию 25° в. д.
Июль 2005. Ввод в эксплуатацию EGNOS V. 1 127станций и 3 КА~|
Март 2003. Начаты работы по развёртыванию EGNOS
Февраль 2002. Защита технического проекта по системе EGNOS
Июль 2001. Осуществлён запуск спутника Artemis в орбитальную позицию
21,5° в.д.
Январь 1999. Thomson-Alcatel заключает контракт на развёртывание
EGNOS
Февраль 1998. Осуществлён запуск спутника Inmarsat 3F5 в орбитальную
позицию 25° в. д.
Сентябрь 1996. Осуществлён запуск спутника Inmarsat 3F2 в орбитальную
позицию 15,5° в. д.
Январь 1996. Thomson заключает контракт на разработку ТЗ и аванпроект
системы EGNOS по заказу ЕКА
Февраль 1994. Начало работ по проекту CNES EURIDIS
Рис. 8.15. Этапы развития EGNOS
янской Alenia) и Thales (приобрела космическое отделение Alcatel
Alenia).
Поскольку работы по созданию EGNOS начались в 1997 г., ко-
гда система ГЛОНАСС была полностью развёрнута, то первоначально
предполагалось, что EGNOS будет обеспечивать потребителей КИ
и ИЦ для НКА GPS и ГЛОНАСС. Однако по ходу реализации про-
екта от функции обеспечения потребителя системы ГЛОНАСС бы-
ло решено оказаться по соображениям экономии средств и с учётом
неопределённости перспектив существования ГЛОНАСС, орбиталь-
ная группировка которой в конце 1990-х годов стремительно дегради-
ровала.
Услуги EGNOS. EGNOS предоставляет потребителю услуги, ко-
торые позволяют повысить точность, доступность и обеспечивают це-
лостность НВО.
Повышение точности НВО обеспечивается передачей КИ потре-
бителю, позволяющей уменьшить погрешность навигационных опре-
286
делений до уровня 1 м (СКО) в плане. Данный вид услуг получил
название широкозонной ДК (Wide Area Differential — WAD).
Доступность НВО улучшается за счёт выполнения КА на ГСО
~ -кции ОРНТ, излучающих навигационные радиосигналы в диапа-
Ll GPS на частоте 1575,42 МГц. Реализация дальномерной
~ нкции (Ranging GEO —R-GEO) также позволяет повысить точ-
<ть НВО за счёт улучшения значения ГФ при решении навигацион-
х задач.
Целостность навигационного поля обеспечивается передачей соот-
е’ствующей информации в составе цифровой информации радиосиг-
налов КА. Данная услуга получила название канал целостности ГНСС
\SS Integrity Channel — GIC).
Обобщённые требования потребителя к услугам EGNOS опре-
деляются набором характеристик, которые объединяются в группы
ований по управлению воздушным судном. На рисунке 8.16 при-
на оценка соответствия качества НВО требованиям потребителей
.пользованием данных EGNOS.
> 99,9 %
> 99,6 %
>99,0%
> 97,5 %
> 95,0 %
> 90,0 %
> 75,0 %
> 50,0 %
> 20,0 %
> 10,0%
< 10,0%
Рис. 8.16. Соответствие услуг EGNOS требованиям потребителей
на территории Европы на 9 июля 2013 г.
Архитектура. EGNOS состоит из четырёх сегментов — наземного,
жосмического, пользовательского и сегмента поддержки и контроля
. 8.17).
Наземный сегмент EGNOS (см. рис. 8.17) имеет комплексную ар-
тектуру с высоким уровнем резервирования и включает 49 состав-
ных частей, развёрнутых на 43 пунктах в 24 странах, включая:
• 39 станций сбора измерений и мониторинга целостности (ОСИ)
Ranging and Integrity Monitoring Station — RIMS);
• 4 центра контроля и управления (ЦКУ) (Control and Processing
ier-СРС);
• 6 станций закладки (Navigation Land Earth Station — NLES).
'.'танции сбора измерений решают задачи мониторинга сигналов
НКА GPS, приёма НИ, формирования ИТНП и передают эту инфор-
мацию ЦКУ. В составе EGNOS используются три типа ССИ:
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
287
КА Inmarsat 4F2
КА Artemis
КА Inmarsat 3F2
НКА GPS
НКА GPS
Рейкьявик
Варшава
о Свальбард
о. Ян-Майен (арХ. Шпицберген)
^Киркенес
Глазго
о
Эгильсстадир Тромсё0
Тронхейм
о
Евле
о
Глава 8. Дифференциальная навигация
Сантьяго-де-Компостела
Азорские о-ва
о
Лиссабон
о
о. Мадейра
КоРко Гатвик
Гунхилли ^2 оЕ
Свансвик
„ о
Париж
о
Торрехон-де-Ардос
Ольборг
о
Ланген
о0
о
Берлин
Цюрих
о
Лаппеэнранта
о
Рим-Чампино
gog
о
Малага
Канарские о-ва 0
о о Адагир
Лас-Пальмас
о
Пальма-де-Мальорка
Катания
о о. Джерба
о София
О
Афины
о
Гёльбашы
Александрия
Рис. 8.17. Архитектура EGNOS
о — широкозонные опорные станции; Ц — центры контроля и управления:
® — станции закладки
• тип A (RIMS-A) — приём НИ, формирование ИТНП и передача
данной информации в основные вычислительные средства (ОВС) ЦКУ
• тип В (RIMS-B) — приём НИ и формирование ИТНП для ос-
новных контрольных средств ЦКУ обеспечивающего контроль пра-
вильности работы ОВС ЦКУ на основе данных ССИ типа А;
• тип С (RIMS-С) — формирование исходных данных для анализа
качества навигационного радиосигнала (формы огибающих колеба-
ний и формы корреляционной функции) и обнаружения специфических
искажений формы как отдельных радиосигналов НКА, так и всего ан-
самбля сигналов, формируемых БИНС НКА.
Для того чтобы сформировать КИ и ИЦ, НКА должен наблю-
даться как минимум с трёх ССИ, поэтому характеристики системы
сильно зависят от географического расположения ССИ. Большинство
из 39 ССИ EGNOS (табл. 8.4) расположено в Европе для того, что-
бы гарантировать непрерывное формирование исходных данных для
оценки задержек, обусловленных ионосферной рефракцией в основной
зоне обслуживания системы (рис. 8.18). Несколько ССИ расположено
на достаточно большом удалении от Европы для того, чтобы увели-
288
Тромсё
Рейкьявик
иркенес
о. Ян-Майен
РЭгильсстадир
Гатвик
Париж
JKjW3
Сантьяго
-де-Компостела
-:о:ские о-ва
Агадир
Кана|
Нуа
о. Мадейра
о
<шот
20°
Лангенр-.
I_______I
Берли
Торпехон-деч
Лиссабон^
Гунхилл и^ва^(
юские о-ва
-о
Лас-Пальмас
____х.
Глазп! ОльбЖ^
Тронхейм
Пальма-де-Мальорку
катана
о. Джерба
Евле
Гёльбашы
я А£инЫ
fPHM х
Абу-Симбиль
Рис. 8.18. Наземная инфраструктура EGNOS:
—НКУ: ^ — станция закладки: Q —средства поддержки; о —ССИ: • —перспективная
ССИ; ф — экспериментальная ССИ
- время наблюдения НКА и повысить точность оценки ЭВИ при
шении задачи формирования КИ и ИЦ.
В состав сети ССИ входит одна ССИ типа А, которая расположена
в Париже и шкала времени которой синхронизирована со стандартом
времени UTC, что позволяет оценивать величину расхождения СШВ
- NOS и UTC.
3 составе EGNOS имеются четыре ЦКУ (Торрехоне (Испания),
Гатвике (Великобритания), Лангене (Германия), Чампино (Италия)),
>рые обеспечивают формирование КИ и ИЦ.
корректирующая информация и ИЦ в виде потока стандартизо-
• сообщений [40] поступают на наземные закладочные станции
передачи на борт КА на ГСО для прямой ретрансляции на АП.
Ддя удовлетворения требованиям непрерывности и надёжности каж-
дая закладочная станция может независимо выбрать любой из ЦКУ
. - ередачи на соответствующий КА. Поэтому НС, транслируемые
1 ными КА, могут быть получены от различных комплексов ЦКУ
Дм каждого из трёх действующих на данный момент КА установлено
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
289
Таблица 8.4
Станции EGNOS
Глава 8. Дифференциальная навигация
Населённый пункт Идентификатор Тип ССИ Плановые координаты
Алборг. Дания ALB AB 57,10° с.ш. 9,09° в.д.
Азорские острова, Португалия ACR ABC 38,51° с.ш. 28,62° з.д.
Берлин, Германия BRN AB 52,32° с.ш. 13,25° в.д.
Канарские острова, Испания CNR ABC 27,95° с.ш. 15,38° з.д.
Катания, Италия CTN AB 37,47° с.ш. 15,07° в.д.
Корк, Ирлания CRK AB 51,85° с.ш. 8,50° з.д.
Варшава, Польша WRS AB 52,22° с.ш. 21,07° в.д.
Джерба, Тунис DJA ABC 33,87° с.ш. 10,77° в.д.
Эглисстадир, Исландия EGI ABC 65,28° с.ш. 14,40° з.д.
Глазго, Великобритания GLG AB 55,70° с.ш. 4,10° з.д.
Хартебеешоек, ЮАР нвк ABC 25,88° ю. ш. 27,70° в.д.
Голбаси, Турция GOL ABC 39,63° с.ш. 32,80° в.д.
Куру, Франция кои ABC 5,17° с.ш. 52,68° з.д.
Лиссабон, Португалия LSB AB 38,78° с.ш. 9,13° в.д.
Свансвик, Великобритания SWA AB 50,88° с.ш. 1,28" з.д.
Мадера, Португалия MAD AB 32,75° с.ш. 16,70° з.д.
Малага, Испания MLG AB 36,68° с.ш. 4,52° з.д
Киркенес, Норвегия KIR ABC 69,68° с.ш. 29,92° в.д.
Пальма-де- Мальорка, Испания PDM AB 39,57° с.ш. 2,73° в.д.
Париж, Франция PAR A 48,83° с.ш. 2,33° в.д.
Монктон, Канада MON ABC 46,07° с.ш. 64,78° з.д.
Рейкьявик, Исландия RKK ABC 64,13° с.ш. 21,93° з.д.
Рим — Чиампино, Италия ROM AB 41,08° с.ш. 12,58° в.д.
290
Окончание табл. 8А_
1 аседённый /нкт Идентификатор Тип ССИ Плановые координаты
-. ‘анта, иридия LAP ABC 61,53° с.ш. 27,55° в.д.
-де- . -ела. SDC AB 42.92° с.ш. 8,42° в.д.
Болгария SOF ABC 42,80° с.ш. 23,42° в.д.
. Швеция GVL AB 60,67° с.ш. 17,13° в.д.
Франция TLS AB 43,42° с.ш. 1,50° в.д.
I Норвегия TRD AB 63,45° с.ш. 10,90° в.д.
TRO ABC 69,67° с.ш. 18,95° в.д.
мдария ZUR AB 47,45° с.ш. 8,57° в.д.
><ад, I Норвегия LYR AB 78,24° с.ш. 15,52° в.д.
Чайен. Норвегия JME AB 70,99° с.ш. 8,48° з.д.
тсшот, Чд * зНИЯ NOU ABC 18,10° с.ш. 15,95° з.д.
. : ма. LPI AB 28,61° с.ш. 17,76° з.д.
-1 Греция ATH AB 37,85° с.ш. 23,78° в.д.
дрия. ALY AB 31.18° с.ш. 29,96° в.д.
Чарокко AGA AB 30,40° с.ш. 9,60° з.д.
- - бел, ABS AB 22,35° с.ш. 31,61° в.д.
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
станции закладки. Таким образом, общее число закладочных
гавно шести.
Распределение закладочных станций
Закладочная станция КА
_illy (Великобритания), Aussagel (Франция) .... Inmarsat 3F5
но (Италия), Goongilly (Великобритания) ...... Inmarsat 3F2
гхон (Испания), Сканцано (Италия) .............. ESA Artemis
•анции, относящиеся к каждому конкретному спутнику, явля-
остью взаимозаменяемыми. Переключение с активной стан-
291
ции на резервную происходит по команде ЦКУ в случае, если актив-
ная станция по каким-либо причинам прекращает передачу данных
на спутник.
Орбитальная группировка EGNOS включает четыре КА, из кото-
рых три используются по целевому назначению и имеют зону покры-
тия, представленную на рис. 8.19.
Глава 8. Дифференциальная навигация
Рис. 8.19. Зона действия КА EGNOS
Космические аппараты Inmarsat 3F2 (запущен в сентябре 1996 г.)
и 3F5 (запущен в феврале 1998 г.) построены компанией Lockheed
Martin в сотрудничестве с компанией European Matra Marconi Space
(в настоящее время Austrium), разработавшей полезную нагрузку.
Космический аппарат Artemis является многофункциональным
спутником ЕКА, который кроме навигации используется и для ре-
шения задач управления КА. Первоначально запуск был запланиро-
ван на 1995 г., однако по ряду причин он состоялся лишь в июле
2001 г. Помимо расширения функциональных возможностей самого
КА, на нём отрабатывалась новая технология выведения аппарата
на орбиту. На первом этапе с помощью ракеты-носителя и дви-
гательной установки КА был выведен на круговую орбиту высотой
31000 км над поверхностью Земли. На втором этапе электрон-ион-
ный двигатель, предназначенный в основном для стабилизации КА
на ГСО и работы несколько минут в день, обеспечил непрерывное
18-месячное движение КА в рабочую орбитальную позицию на ГСО
со скоростью 15 км/день. Artemis занял свою орбитальную пози-
цию 31 января 2003 г. и начал использоваться по целевому назна-
чению.
292
Пользовательский сегмент EGNOS включает различные типы АП,
позволяющие потребителям определять местоположение с повышен-
ной точностью и надёжностью.
Средства поддержки EGNOS включают специальные средства
ртификации практических приложений (СССПП) и средства оценки
«.арактеристик и параметров (СОХиП).
СССПП объединяют технические средства, обеспечивающие про-
--дение работ по сертификации EGNOS для решения различных
тактических задач. В частности, в интересах гражданской авиации
??едства СССПП используются для проведения сертификации аэро-
дромов на предмет возможности использования EGNOS для посадки
различных типов воздушных судов в соответствии с требованиями
-андартов и практик ICAO.
СОХиП предназначены для автономного контроля функциониро-
вания составных частей EGNOS, в частности для:
• оценки рабочих характеристик посредством моделирования;
• работы аварийных комиссий при расследовании обстоятельств
.-•‘стемных сбоев и выработки комплекса мероприятий по их устра-
няю;
• обеспечения проведения плановых и регламентных работ, вклю-
-2Я превентивное парирование сбоев на основе контроля состояния
тавных частей системы;
• тренировки рабочих смен операторов EGNOS.
Программа развития. Основные направления развития системы
.NOS до 2016 г. предусматривают устранение имеющихся в на-
ст ящее время недостатков и ограничений. Первоочередной задачей
• яется расширение сети ОСИ за счёт ввода в эксплуатацию стан-
Agadir и Abu Simbel для повышения доступности навигационного
печения с управлением по высоте в южных странах Европы, а так-
для повышения точности оценки параметров ионосферной модели.
Рассматривается вопрос о расширении зоны уверенного приёма сиг-
-алов EGNOS в странах Восточной Европы (включая Азербайджан)
« Балтии, а также расширения зоны обслуживания EGNOS с 70
_ с. ш.
Программа модернизации и развития космического сегмента
A'OS предусматривает начало использования в 2014 г. КА SES-5,
известного под предыдущим названием Astra 4В и успешно выведен-
вого на околоземную орбиту в июле 2012 г., и запуск КА Astra 5В
: _ 13 г.
Главное планируемое улучшение — полное удовлетворение к сере-
2014 г. требованиий LPV-200 в 54 аэропортах Европы.
8.4.4. Проект MSAS
Общие сведения. MTSAT Satellite Augmentation System
SAS) — японская спутниковая система ДК — функциональное до-
ли ение системы GPS, служащее для улучшения её точности, целост-
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
293
Глава 8. Дифференциальная навигация
ности и доступности. Использует многофункциональные транспортные
спутники (Multi-Functional Transport Satellite —МТSAT), владельцем
и оператором которых является Японское министерство наземной ин-
фраструктуры и транспорта и Японское метеорологическое агентство
(Japan Meteorological Agency —JMA).
В 1993 г. Исследовательский институт электронной навигации
(Electronic Navigation Research Institute — ENRI) начал работы по ис-
следованию путей обеспечения целостности ГНСС и разработал ис-
пытательный стенд ГНСС (рис. 8.20). Спустя год Японское бюро
гражданской авиации (Japan Civil Aviation Bureau —JCAB) приняло
решение о разработке национальной навигационной системы на ба-
зе КА на ГСО. JCAB подготовило план запуска двух КА MTSAT,
производство которых было начато в 1996 г. Одновременно были на-
чаты работы по созданию наземной инфраструктуры будущей системы,
в частности, основаны Центры спутниковой аэронавтики в г. Хита-
тиота и Кобе, необходимые для контроля КА МТ SAT. В их задачу
входит закладка информации на спутники и выполнение функции
центров управления. Первый КА МТ SAT-1 был запущен в ноябре
1999 г., но был потерян из-за отказа полезной нагрузки при запуске.
- 2011
- 2010
- 2006
- 2005
-2001
- 1999
- 1996
- 1994
- 1993
Октябрь 2010. Ввод первой очереди MSAS в эксплуатацию
6 станций и 2 КА
Февраль 2006. Осуществлён запуск спутника MTSAT-2 в точку
145° в. д.
Февраль 2005. Осуществлён запуск спутника MTSAT-1R в точку
140° в. д.
Июль 2001. Начаты работы по созданию КА MTSAT-1R
Ноябрь 1999. Осуществлён неудачный запуск спутника MTSAT-1
Сентябрь 1996. Начаты работы по созданию КА MTSAT
Апрель 1994. NEC заключает контракт на создание MSAS
Начало работ ENRI по проекту разработки технологии контроля це-
лостности ГНСС для одночастотной АП
Рис. 8.20. Этапы развития MSAS
294
Сразу после этого инцидента для замены утерянного КА была нача-
»а ?азработка КА MTSAT-1R, который был позднее переименован
а Himawari-б и успешно выведен на околоземную орбиту в орбиталь-
о позицию 140° в.д. ГСО в феврале 2005 г. ракетой Н2А. В том же
-еду была начата опытная эксплуатация MSAS с предоставлением
. . - потребителям системы GPS. Второй КА MTSAT-2 был успеш-
. пущен в феврале 2006 г. в орбитальную позицию 145° в.д.
В октябре 2010 г. 1-я очередь MSAS с ограниченным количеством
-ций и 2 КА была введена в опытную эксплуатацию.
Услуги MSAS. MSAS предоставляет услуги, которые позволяют
высить точность, доступность и обеспечивают целостность НВО для
ютребителя GPS, а также обеспечивают мониторинг и управление
вс пушным движением над Японскими островами.
Повышение точности, доступности и целостности НВО достигается
передачи КИ и ИЦ в составе дальномерного навигационного
радиосигнала с борта КА на ГСО. Данный вид услуг получил название
гационной функции (navigation function). При этом погрешность
НВО уменьшается до уровня 1 м (СКП) в плане.
Мониторинг воздушного движения осуществляется путём автома-
«ческого сбора данных о параметрах движения воздушных судов че-
КА на ГСО. В соответствии с установленной практикой на борту
мждого транспортного средства установлена передающая аппаратура,
I ая автоматически периодически направляет сообщения о пара-
полёта в центр управления воздушным движением по спутни-
каналу.
Услуга связи позволяет осуществлять управление воздушным дви-
а еямем за счёт прямой связи между диспетчерами и пилотами по спут-
му каналу.
За счёт внедрения MSAS удалось в 3 раза повысить интенсивность
I ^данного движения на территории Японии. Так, расстояние между
амолётами при движении одним курсом уменьшилось с 148...222 км
км, а расстояние при движении параллельным курсом —с 93
ь 56 км. Несмотря на то что MSAS повышает качество НВО на тер-
Японии (рис. 8.21), малое число станций не позволяет обес-
* уровень предоставления услуг MSAS, аналогичный WAAS
\OS.
Архитектура. MSAS состоит из трёх сегментов — наземного, кос-
w . кого и пользовательского (рис. 8.22).
Поскольку территория Японии не позволяет создать простран-
—- разнесённый наземный сегмент, то две станции мониторинга
• жяьномерных измерений (СМДИ) (Monitor and Ranging Stations —
• R S оасположены на территориях США и Австралии. Однако ос-
акые элементы MSAS—две главные станции управления (ГСУ)
Ц ' Control Station —MCS) и четыре станции мониторинга (СМ)
Monitor Station — GMS) расположены на территории Япон-
овов.
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
295
1000
900
800
700
600
S
4 500
о-
д
400
300
200
100
х 105
14
• 12 5
О
Глава 8. Дифференциальная навигация
0 200 400 600 800 1000
НРЕ, м
Рис. 8.21. Соответствие услуг MSAS требованиям
потребителей
Рис. 8.22. Архитектура MS AS:
Q — главные станции; о — станции мониторинга; — станции мониторинга и дальномерных
измерений
296
Главные станции управления находятся на территории Центров
тниковой аэронавтики в г. Хитатиота и Кобе. Дублирование ГСУ
тозволяет избежать нарушений функционирования системы из-за сбо-
оборудования, стихийных бедствий или погодных воздействий. Каж-
дая ГСУ включает комплекс основных вычислительных средств, на-
емные станции закладки, средства мониторинга и управления КА
и СМ. Кроме того, в состав ГСУ входит оборудование для проведения
льномерных измерений, аналогичное оборудованию СМДИ.
Основные вычислительные средства, используя ИТНП СМ
< СМДИ по радиосигналам НКА GPS и КА MSAS, формируются
КИ и ИЦ. Полученный поток стандартизированных сообщений с по-
мощью наземных стаций закладки передаётся на борт КА MTSAT
радиолинии в Ku-диапазоне. БРТР без обработки на борту осу-
ществляет перенос радиосигнала наземной станции закладки на ча-
стоту 1 575,42 МГц и излучение его в направлении АП. В соответствии
С архитектурой MSAS средства одного ГСУ обслуживают один КА.
Станции мониторинга служат для приёма, формирования ИТНП,
выделения НИ из радиосигналов НКА GPS и КА MTSAT и передачи
и информации в ГСУ посредством специализированных наземных
линий передачи данных. СМ осуществляет ИТНП в диапазонах Li
- для построения карты вертикальных ионосферных задержек.
Станции мониторинга и дальномерных измерений, помимо выпол-
функций СМ, решают задачи проведения ИТНП и запросного
;рения дальности до КА MTSAT. Данная информация необходима
расчёта эфемерид КА MTSAT и реализации функции излучения
ильномерного радиосигнала с борта данных КА. Станции расположе-
_. восточном и южном краях орбиты спутников MTSAT, на Гавайях
- Австралии, что позволяет осуществлять высокоточные ИТНП для
эфемерид КА MTSAT.
К смический сегмент MSAS состоит из КА MTSAT- 1R и MTSAT-2
- 23). Помимо ретрансляции сигналов MSAS они предназна-
,ля метеорологических измерений и авиационного контроля
>АТ- 1R был построен фирмой Space Systems/Loral, a MTSAT-2 —
z мо» Mitsubishi.
Отличительной особенностью построения космического канала до-
- информации MSAS является возможность использования од-
КА для передачи радиосигналов другого. В этом случае назем-
вая - шция закладки ГСУ вышедшего из строя КА перенацеливается
сг : у' тоспособный КА. БРТР КА MTSAT без обработки на борту
- пяет осуществлять излучение в направлении АП двух радиосигна-
• зличными кодами дальномерной ПСП. Подобное резервирова-
з» оляет повысить надёжность аэронавигационного обеспечения.
Программа развития. Основные направления развития систе-
• . SAS имеют целью расширение зоны обслуживания, поскольку
1 * ения СДКМ в Азиатско-Тихоокеанском регионе отсутствовал
_ ставщик услуг ШДПС В связи с этим JCAB проводит боль-
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
297
Глава 8. Дифференциальная навигация
Рис. 8.23. Зона действия КА MSAS
шую работу по популяризации использования услуг MSAS в соседних
странах.
Кроме того, программа развития предусматривает введение на сле-
дующем поколении КА навигационного радиосигнала в диапазоне L5,
а также расширение полосы излучения радиосигнала в диапазоне L1
с текущего значения в 2,2 МГц до 22 МГц.
8.4.5. Проект GAGAN
Общие сведения. GPS And Geo Augmented Navigation
(GAGAN) — национальная дифференциальная навигационная систе-
ма, создаваемая Индией. Проект реализуется Управлением индий-
ских аэропортов (Airport Authority of India —AAI) при сотрудни-
честве с Индийской космической исследовательской организацией
(Indian Space Research Organization — ISRO). По планам индийского
правительства, одно из главных предназначений GAGAN — создание
эффективной системы управления полётами в зоне воздушного про-
странства Индии и сопредельных государств. Стремительный рост
объёма воздушных перевозок в регионе требует повышения качества
НВО на 80 гражданских и более чем в 200 негражданских аэродромах.
Реализация проекта разделена на три фазы — демонстрационную
технологическую систему (Technology Demonstation System —TDS),
начальную экспериментальную фазу (Initial Experimental Phase — IEP)
и финальную фазу функционирования (Final Operational Phase —
FOP).
Цель фазы TDS — разработка и развёртывание основной назем-
ной и космической инфраструктуры, охватывающей индийское воз-
298
- эе пространство. Для того чтобы начать разворачивание системы
*AGA\. в ноябре 2001-го и марте 2005 г. Индия получила коды
► -. дтя частот Li и L2 от ВВС США. Фаза TDS была успешно
ршена в 2007 г. установкой восьми ССИ в индийских аэропор-
। и '.<еспечением линий связи этих станций с Главным центром
—а ия (ГЦУ) в Бангалоре. Предварительные тесты системы были
к» завершены в декабре 2010 г. Кроме того, в 2009 г. с компа-
е* Raytheon, которая занималась развёртыванием индийских ССИ,
точён новый контракт на установку дополнительных ССИ.
-v образом, общее число ССИ было доведено до 15. Также в про-
с ализации TDS было создано два центра управления (ЦУ)
I ж станции закладки (СЗ) в Кандалахале и Бангалоре. Ещё одна
п . ЦУ и СЗ должна быть развёрнута в Дели и Бангалоре.
Испытания TDS показали, что погрешность определения трёхмер-
• -. динат составила 3 м (СКП), что позволило выполнить требо-
я --.хнического задания, по точности навигационных определений
СКП).
X ?х тектура. GAGAN включает в себя наземный и космический
вп» и потребителей и, как видно на рис. 8.24, ничем не отличается
• \S, EGNOS или MSAS.
--. ,мный сегмент системы GAGAN включает в себя сеть индий-
• -> орных ССИ (Indian Reference Station — IRS), два ЦУ (основ-
• н резервный) и три СЗ. Несмотря на различные данные о количе-
географии размещения ССИ GAGAN, наиболее правдоподоб-
;яется информация о сети из 15 ССИ (табл. 8.5 и рис. 8.25).
-ив других системах SBAS, целью ССИ GAGAN является при-
h : рмирование ИТНП радиосигналов НКА GPS и КА GAGAN
О, а также передача данной информации ЦУ. ССИ оборудова-
«ы дублированными комплектами приёмной аппаратуры, независимо
:< ющими ИТНП по радиосигналам НКА GPS в диапазонах Li,
L5, а также радиосигналам КА на ГСО в диапазонах Li и L5.
Основные задачи ЦУ — управление системой передачи данных, мо-
та радионавигационного поля и формирование ИЦ, оценка мо-
t*'Носферно—тропосферных задержек, расчёт КИ к ЭВИ и фор-
w< ние потока стандартизованных сообщений.
Станции закладки территориально совмещены с ЦУ и выполняют
*хак> непрерывной передачи сообщений с КИ и ИЦ на КА на ГСО.
•. • льку КА GAGAN предоставляют услуги измерения псевдодаль-
.до КА, то СЗ должна обеспечить удалённую синхронизацию
. сигнала, излучаемого с борта КА с СШВ GPS.
строение карты вертикальных ионосферных задержек — одна
важнейших задач для GAGAN, поскольку достижение требуе-
h высокой точности НВО невозможно без наличия точной модели
яния ионосферы в Индийском регионе. Поскольку исследо-
ионосферы с целью построения эффективной модели оценки
озирования величины задержки навигационных радиосигналов
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
299
Глава 8. Дифференциальная навигация
Рис. 8.24. Архитектура системы GAGAN:
О — широкозонные опорные станции; Д — широкозонные главные станции;
Q — станции закладки
являются чрезвычайно актуальными, то к ИТНП со станции GAGAN
большой интерес проявляют различные научные и исследовательские
организации.
Космический сегмент GAGAN включает два КА на ГСО, распо-
ложенные в орбитальных позициях 55 и 83° в.д. В первоначальных
планах предполагалось, что экспериментальный КА связи и навигации
GSAT-4, носивший название HealthSat, составит основу орбиталь-
ной группировки. Однако отказ третьей ступени ракеты GSLV Mk II
(Geosynchronous Satellite Launch Vehicle) при запуске КА GSAT-4
15 апреля 2010 г. помешал реализации данных планов. Спустя год,
21 мая 2011 г. успешный запуск тяжёлого КА GSAT-8 в орбитальную
позицию 55° в. д. позволил создать самое передовое средство доставки
КИ и ИЦ в мире за счёт установки на КА бортового ретранслятора
(БРТР), излучающего радиосигналы в диапазонах £1 и L5.
Второй КА GSAT-10 орбитальной группировки GAGAN был ус-
пешно запущен 29 сентрября 2012 г. в орбитальную позицию 83° в.д.
(рис. 8.26). После аварии ракеты-носителя GSLV для запуска обоих
КА были использованы ракеты-носители Ariane-5.
300
Рис. 8.25. Наземная инфраструктура GAGAN
Рис. 8.26. Зона действия КА GAGAN
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
301
Таблица 8.5
Станции сбора измерений GAGAN
Глава 8. Дифференциальная навигация
Населённый пункт Идентификатор Плановые координаты Высота, м
Ахмадабад AHMD 23,022244° с. ш. 72,335761° в.д. 55
Бангалор BNGL 12,565351° с.ш. 77,394044° в.д. 880
Бхубанешвар BHSH 20,293513° с.ш. 85,824894° в.д. 49
Гоа GOAS 15,238272° с.ш. 74.883844° в.д. 577
Гувахати GWHT 26,147127° с.ш. 91,735550° в.д. 145
Дели NDEL 28,602697° с. ш. 77,167388° в.д. 235
Дибругарх DBHR 27,472833° с. ш. 94,911961° в.д. 109
Джайсалмер JSMR 26,915750° с.ш. 70,908344° в.д. 243
Джамму JAMU 32,746744° с. ш. 74,667433° в.д. 269
Калькутта KLKT 22,572647° с. ш. 88,363894° в.д. 34
Нагпур NGPR 21,145800° с.ш. 79,088155е в.д. 313
Паланпур PLPR 24,171181° с.ш. 72,438392° в.д. 229
Порбандар PBND 21,641708° с.ш. 69,629264° в.д. 22
Порт-Блэр PRBL 11,623377° с.ш. 92,726483° в.д. 36
Тривандрам TRVD 8,487494° с. ш. 76,948622° в.д. 118
Однако ISRO планирует возобновить запуски GSLV и вывести
в 2015 г. на околоземную орбиту третий КА GAGAN — КА GSAT-9.
Данный КА будет резервным, и его орбитальная позиция не опреде-
лена.
Программа развития. Несмотря на косвенные признаки высокой
активности работ по развитию национальной инфраструктуры НВО
в Индии, публикации на эту тему в последние годы практически отсут-
ствуют. Тем не менее в настоящее время ведётся непрерывный монито-
ринг КИ и ИЦ GAGAN в нескольких индийских аэропортах, который
показывает удовлетворительные результаты.
302
В феврале 2014 г. были завершены испытания, и GAGAN начала
официально предоставлять услуги НВО с погрешностью 3 м (СКП)
по высоте, что позволит пилотам гражданской авиации совершать по-
садки в сложных погодных и природных условиях, что чрезвычай-
но актуально, учитывая географические особенности такого государ-
ства, как Индия. Решение данных задач предполагается в рамках двух
фаз развития системы (EIP и FOP), которые реализуются с акцен-
том на создание систем резервирования, увеличение состава наземного
и космического сегментов, отладку и улучшение программного обес-
печения и оборудования, решение различных технических проблем,
накопление опыта обслуживания системы.
В конечном счёте проект ставит целью улучшение основных ха-
рактеристик системы GPS, таких, как точность, целостность, доступ-
ность. Планируется также использовать опыт, полученный при созда-
нии GAGAN, в разработках автономной региональной навигационной
системы IRNSS (см. разд. 7.5).
Поскольку зона обслуживания GAGAN расположена в эквато-
риальной области, которая характеризуется высокой ионосферной
активностью, то услуги с помощью КА на ГСО система оказыва-
ет с использованием радиосигналов в двух диапазонах частот (L1
и А5). Однако в целях обслуживания большого парка авиации, ко-
торая уже оборудована аппаратурой, принимающей навигационные
радиосигналы лишь в диапазоне LA, индийские специалисты разра-
ботали собственную модель оценки величины задержки радиосигнала
в ионосфере. С учётом программ развития широкозонных функцио-
нальных дополнений в Латинской Америке и Африке данный опыт
активно обсуждается международной командой экспертов с целью
дальнейшего совершенствования модели, рекомендованной к исполь-
зованию в SBAS.
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы
8.5. Методы относительных измерений
Глава 8. Дифференциальная навигация
8.5.1. Классификация
Как указывалось выше, основная область применения относитель-
ных измерений — определение положения объектов относительно ло-
кальных систем координат либо их взаимного положения (в этом слу-
чае используются системы координат, связанные с объектами, в том
числе подвижными, например с воздушными или надводными суда-
ми). В таких случаях обычно либо абсолютные координаты каждого
из объектов не представляют самостоятельного интереса, либо требо-
вания к точности их измерения обеспечиваются в рамках стандартных
методов НВО. Точность же ОН может быть существенно повыше-
на за счёт совместной обработки относящихся к одному и тому же
интервалу времени массивов измерений, полученных в разных точках.
Наиболее простой и наглядный вариант реализации метода ОН
сводится к следующему. Пусть на двух объектах, разнесённых в про-
странстве, установлены комплекты АП, которые по одним и тем же
созвездиям НКА в совпадающие моменты времени определяют свои
геоцентрические координаты {%i, z/i, Zi} и {хг, У2, ^}- Вычисленные ко-
ординаты по соответствующему каналу связи передаются с одного
объекта на другой. На каждом объекте вычисляют разности одно-
имённых координат:
Дх = %1 —
&У =У\ ~У2\
&Z = Z\- 22,
т. е. проекции базовой линии, соединяющей эти два объекта, на соот-
ветствующие оси координат. Затем определяют длину базовой линии
(расстояние между объектами)
D = 7Дх2 + Д//2 + Дг2,
304
а также углы а, (3, у, характеризующие направление базовой линии
в пространстве:
Ах о Aw Az
a = arccos—; p = arccos-^-; y = arccos—.
Совокупность величин D, а, (3, у однозначно описывает взаимное по-
ложение объектов в пространстве.
Однако в таком предельно упрощённом виде метод ОИ в настоящее
время применяют редко, поскольку выигрыш в точности, получае-
мый при использовании только координатной информации, оказывает-
ся невелик. Причина в том, что координаты, вычисляемые АП, содер-
жат погрешности, обусловленные расхождением между ШВП и СШВ,
задержками, вызванными тропосферной и ионосферной рефракциями;
задержкой сигнала в радиочастотном тракте АП; шумовыми ошибками
измерений РНП.
Современные системы ОИ работают по принципу совместной об-
работки РНП измеренных АП объектов, при этом наряду с дальномер-
ными измерениями используются измерения фазы несущей частоты
сигнала НКА, а также псевдодоплеровской частоты.
В зависимости от того, измерения каких РНП используются при
построении алгоритмов ОИ, их можно классифицировать на две груп-
пы [9]:
1) алгоритмы, в которых потребители при ОИ используют ИТНП
по огибающим колебаниям и приращения фазы несущих колебаний;
2) алгоритмы, в которых используются ИТНП по несущим и оги-
бающим колебаниям по полной фазе несущей (чаще всего — совместно
с измерениями по псевдозадержке).
Точность ОИ, достигаемая при использовании методов, относя-
щихся к первой группе, сравнима с точностью методов ДК (см. выше).
В литературе эти методы часто называют стандартными [9].
Потенциальная точность измерений методами, отнесёнными ко вто-
рой группе, на порядок и более превышает точность стандартных
методов. Такие методы называют высокоточными и используют для
прецизионных измерений, например в геодезии.
Алгоритмы второй группы отличаются от стандартных не только
более высокой точностью, но и рядом особенностей, связанных с об-
работкой измерений полной фазы несущей. Поэтому далее принципы
относительных измерений рассматриваются применительно к фазовым
методам с учётом особенностей последних.
8.5.2. Принципы относительных измерений
Поскольку в ГНСС удаление потребителя и БС до НКА составляет
более 20 000 км, то на расстояниях в несколько десятков километров
между потребителем и БС можно считать фронт приходящей вол-
ны плоским и линии, соединяющие приёмные антенны с источником,
параллельными (рис. 8.27). Длина базы подобного интерферометра
8.5. Методы относительных измерений
305
Глава 8. Дифференциальная навигация
Рис. 8.27. Интерферометрическое определение
относительных координат:
БС — базовая станция; П — потребитель;
НКА — навигационный космический аппарат
ограничена возрастающим влиянием ионосферной и тропосферной ре-
фракции на точность ИТНП радиосигналов НКА в точке расположе-
ния БС и потребителя. Для определения местоположения потребителя
относительно БС можно использовать оба типа измерений навигаци-
онных параметров — псевдодальность и псевдофазу.
Поскольку информация о положении потребителя относительно
БС заложена в разности хода сигналов от НКА, принятых потреби-
телем и БС в один и тот же момент времени, запишем выражения
для разности отсчётов измерений по одному НКА, используя модели
ИТНП, приведённые в гл. 6. Для псевдодальности выражение разно-
сти отсчётов имеет вид
Д5п-бс = 5П - 5бс =
= /?п + 8Д + с(5/швпп — 57бшв + 6тИОн.п + 8ттроп.п + 5т мнл.п + 8тпрм п) +
+ &S п — ^БС — 5Д —
— с(5/швпбс — 57бшв + 8тионбс + 8тТР0Пбс + 8тМШ1бс + 8тпрмбс) —
— 2s БС- (8.6)
Разность отсчётов фазовых измерений описывается следующей
формулой:
ДФп-БС = Фп — Фвс =
_ Rn + + Д5/ШВПп _ 57бшв — бТион.п + 6тТроп.п + 8т мнл.п Т 8тпрм п) +
Л/ Rec + &R
+ Ап + 2фп------------Н
+ /(8/щвПБС — 87бшВ — 8тИ0НБС + бттропБС + 8тмнлБС + §тпрмБс) +
+ Абс + 2фбс- (8.7)
Поскольку условия распространения сигнала на трассе от НКА
до ККС и потребителя можно считать идентичными, то 8/ионбс = 8/ион.п
306
и б/тропБС = 6/Троп.п- Таким образом, выражения (8.6) и (8.7) можно за-
писать в более компактном виде:
Д5 — Д/? + с(Д/ + Дтмнл + Дтпрм) + е; (8.8)
ДФ = -у—I- f(At + Дтмнл + Дтпрм) + N + г), (8.9)
где Д/? — разность дальностей от НКА до потребителя и БС, ДА? =
= Rn — Rec, Д/—разность расхождений шкал времени АП и БС,
Д/ = б/швпп — 5/швпбс; Дтмнл — задержка радиосигналов, обуслов-
ленная многолучевым характером распространения сигналов, Дтмнл =
= 6тМнл.п — бтмш,Бс; Дтпрм — разность задержек радиосигналов в при-
ёмных устройствах АП и БС, Дтпрм = 5тпрм.п — 8тпрмбс; N —разность
ПФН, Ап-бс = М, — Мес, е — суммарная аппаратурная погрешность
разности псевдодальностей; ^ — суммарная аппаратурная ошибка из-
мерений разности фаз.
Величины Д5 и ДФ, определяемые выражениями (8.8) и (8.9),
называются первыми разностями псевдодальностей и фаз соот-
ветственно. В полученные выражения для первых разностей помимо
разностей дальностей Д/?, несущих информацию о положении базовой
линии относительно НКА, входят первая разность ПФН N, разность
расхождений шкал приёмников Д/, разность задержек радиосигналов
в приёмных устройствах Дтпрм и задержка Дтмнл, вызванная многолу-
чевым распространением радиосигналов.
При использовании измерений по радиосигналам с кодовым раз-
делением, использующим одну несущую частоту, величины Д/ и Дтпрм
можно исключить путём формирования вторых разностей. Вторая
разность псевдодальностей образуется путём вычитания первой раз-
ности по НКА Д5, с номером i из первой разности псевдодальности,
сформированной из измерений по НКА с номером /:
Дг^,/ = Д5( — Д5/ = ^iRij + р(/ + Е(/, (8.10)
где AzRij — вторая разность дальностей между НКА I и /, потреби-
телем и БС, PxzRij = ARi — ARp, pi; — суммарная ошибка измерений
псевдодальности, обусловленная многолучевым характером распро-
странения сигналов, р(/- = с(Дтмнл, — Дтмнл ,); ег/- — суммарная шумовая
и динамическая ошибка измерений псевдодальности.
Аналогичным образом можно определить вторую разность фаз:
Д2Ф/у = ДФ, - ДФ, = + v,-/ + г),/, (8.11)
где Nij — вторая разность ПФН, Ni, = Nj — Np, v,-; — суммарная ошиб-
ка фазовых измерений, обусловленная многолучевым характером рас-
пространения сигналов, V// = /(Дтмнл,- — ДтМНЛ/); Г],-, — суммарная шу-
мовая и динамическая ошибка фазовых измерений.
8.5. Методы относительных измерений
307
Глава 8. Дифференциальная навигация
При обработке ИТНП радиосигналов НКА ГЛОНАСС с частот-
ным разделением вторые разности ИТНП описываются следующими
выражениями:
+ с(Д/ + Д^прм) + Рг/ + £//; (8.12)
Д2Ф(/ = 17 - ^7 + (А - Л)(А^ + А^прм) + Nij + Vl7 + (8.13)
где X/, X/ — значения длин волн несущих колебаний сигналов г-го и /-го
НКА; ft, /^ — номинальные значения несущих частот сигналов г-го
и /-го НКА.
Метод исключения величины Д/ + Д/Прм из выражения (8.13) раз-
работан А. А. Поваляевым [11] и заключается в оценке данной вели-
чины с помощью первых разностей измерений псевдо дальности. Ос-
нованием для такого подхода является предположение об идентично-
сти и равномерности характеристик группового времени запаздывания
(ГВЗ) сигналов в приёмниках в полосе сигналов НКА. Это позволяет
считать величину Д/ + Д/прм одинаковой для всех НКА и на основа-
нии (8.12) оценивать её по формуле
м
Д/+Д/„р„ = 1£^5^. (8.14)
1=1
где М — количество используемых для навигационных определений
НКА.
Простейший метод определения параметров фазовой неоднознач-
ности (ПФН) или раскрытия неоднозначности состоит в построении
третьих разностей, формируемых путём вычитания второй разно-
сти (8.11), относящейся к одному моменту времени, из второй разно-
сти на другой момент времени при условии непрерывного слежения
на этом временном интервале за сигналами НКА, измерения кото-
рых участвуют в формировании вторых разностей. Поскольку значение
ПФН, входящего во вторые разности, за время наблюдения не из-
менилось, его можно исключить из числа неизвестных. Однако для
практической реализации этого подхода необходимо вести непрерыв-
ное наблюдение в течение не менее получаса [41], чтобы НКА измени-
ли своё положение и измерения позволили бы обеспечить требуемую
точность навигационных определений. С целью сокращения интервала
наблюдения за сигналами НКА в последние два десятилетия разраба-
тывались альтернативные подходы к вопросу построения процедуры
раскрытия неоднозначности, которые можно разделить на следующие
группы [41, 42]:
1) раскрытие неоднозначности посредством применения специаль-
ных манипуляций, таких, как перемещение антенн при непрерывном
слежении за сигналом, метод stop&go, метод возвращения (реоку-
пации);
308
2) раскрытие неоднозначности за счёт избыточности измерений;
3) раскрытие неоднозначности на основании априорной оценки ко-
ординат;
4) раскрытие неоднозначности с помощью навигационных средств
иного типа.
Рассмотрим более подробно каждый из данных подходов.
При использовании первого подхода перемещение антенн реали-
зуется следующим образом. Антенна Ао устанавливается на точку А,
а антенна A i — на точку В на некотором удалении от точки А. После
того как приёмники захватят необходимое количество НКА (четыре
по одной системе, пять по двум системам, но не менее двух по каж-
дой), переносим антенну До из точки А в точку В и, наоборот, ан-
тенну А1 из точки В в точку А. Если в ходе данных перемещений
слежение за сигналами НКА осуществлялось без сбоев, то значения
ПФН можно легко получить из выражений для первичных измере-
ний путём линейных комбинаций последних. Данный метод раскрытия
неоднозначности применяют в статических приложениях и процедурах
начальной инициализации для алгоритмов типа stop&go или других
кинематических приложениях [43].
Алгоритмы stop&go базируются на предположении, что при обес-
печении непрерывного слежения приёмниками за сигналом НКА оце-
ниваемый ПФН не изменяется при взаимном движении антенн. Рас-
крыв неоднозначность в точке начала движения методом перемещения
антенн или любым другим способом, требуется лишь обеспечить от-
сутствие срывов слежения или скачков схемы ФАП несущей АП [43].
Недостатком данного алгоритма является необходимость проведения
в статике повторной процедуры инициализации в случае сбоя при сле-
жении за сигналом НКА.
Алгоритм с возвращением на исходную точку, метод «реокупации»,
предполагает, что в течение навигационного сеанса АП накапливает
первичные измерения в исходной точке, перемещаясь из опорной точки
к точкам, чьи относительные координаты требуется определить, и об-
ратно. В ходе навигационного сеанса необходимо обеспечить непре-
рывное слежение за сигналами НКА. Для обеспечения неизменности
рабочего созвездия длительность между повторным занятием приём-
ником исходной позиции не должна превышать 1 ч [43]. Такой алго-
ритм определения относительных координат предполагает обработку
измерений после завершения навигационного сеанса, что не позволя-
ет его применять в задачах реального времени.
Метод, основанный на точном априорном знании относительных
координат, позволяет определить неоднозначность по одному отсчёту.
Подобный подход чрезвычайно эффективен в целом ряде приложений,
к которым относится слежение за деформациями сложных конструк-
ций или перемещениями тектонических плит земной коры. Раскрыв
неоднозначность, можно осуществлять точное непрерывное оценива-
ние взаимного положения антенн интерферометра. В случае если апри-
8.5. Методы относительных измерений
309
орная информация об относительных координатах имеет погрешность
порядка нескольких дециметров, непосредственная оценка неодно-
значности невозможна. Поэтому для поиска возможных значений ко-
ординат применяют метод, получивший название Ambiguity Function
Method (AFM) [44]. По определению функция неоднозначности имеет
вид, обусловленный периодическим характером сигналов по фазе:
т п
тм
k=\/=1 /=]
AR (^,Х)У
Х/z Л
(8.15)
Глава 8. Дифференциальная навигация
где X — искомый вектор относительных координат; ЛФу/(/^) — первая
разность измерений фаз сигналов /-го НКА на частоте / потребителем
и БС в момент времени X) — первая разность расчётных
значений псевдо дальности разностей от /-го НКА до потребителя
и БС; Хц — длина волны несущих колебаний сигнала /-го НКА на ча-
стоте /; пщ — количество первых разностей; т — количество отсчётов
(моментов времени); п — количество несущих частот, на которых про-
изводятся измерения.
Различным значениям вектора X соответствуют разные значения
функции неоднозначности. Целью процедуры поиска является опре-
деление вектора, соответствующего максимуму AF(X). Достоинством
данного метода является его независимость от значений неоднознач-
ностей и устойчивость к искажениям измерений, вызванных сбоями
в работе схем слежения за несущей частотой навигационных приёмни-
ков [44]. К недостаткам следует отнести зависимость значений AF(X.)
от геометрии рабочего созвездия и необходимость иметь априорную
информацию об ориентации антенн относительно друг друга до начала
поиска вектора координат X. Данный подход обычно используют при
проведении постобработки для неподвижных объектов и малых базах.
Наибольшее практическое распространение получил метод высо-
коточных ОИ, базирующихся на измерениях НП по избыточным НКА.
При использовании измерений по открытым сигналам ГНСС на одной
частоте избыточность измерений достигается за счёт приёма сигна-
лов от четырёх и более спутников (при работе по сигналам одной
системы [41, 45]) в разные моменты времени. Уравнения вида (8.10)
или (8.11), сформированные по измерениям, относящимся к разным
моментам времени, но по одним и тем же НКА, образуют систему, в ко-
торой неизвестными являются вещественные значения относительных
координат и целочисленные ПФН. В работе [46] показано, что циклич-
ность фазовых измерений, закон распределения которых аппроксими-
руется многомерным нормальным усечённым свёрнутым законом [47],
приводит к тому, что для решения задачи определения ориентации
необходимо найти глобальный максимум многомодального закона рас-
пределения вектора ошибок е (рис. 8.28):
„/л/ Г (у + У-ЯЛхГВДш + ДГ-ЯДх)! _
IF (е) = С max exp < --------(8.16)
N I
310
где С — нормирующий множитель; у — вектор разностей (первых или
вторых) измеренных и расчётных значений первичных измерений; N —
вектор ПФН, характеризующих фазовые измерения; Я —матрица ко-
эффициентов при параметрах ориентации; Дх —вектор параметров
ориентации; Ву — корреляционная матрица первичных измерений.
ТУ(еье2)
Рис. 8.28. Двумерный закон распределения вектора ошибок
Г(еье2)
Общий подход к реализации процедуры определения глобально-
го максимума сводится к решению задачи минимизации квадратичной
формы [48] вида
T(N)-[[N-NyD-'
(АГ - АГ*)] min, TVeZ,
(8 17)
где N* — вещественная оценка вектора ПФН; — корреляционная
матрица вещественных оценок ПФН.
Предложено несколько методов определения минимума квадра-
тичной формы (8.17), отличающихся реализацией процедуры поиска
целочисленного вектора по полученным вещественным значениям.
Простейшим способом оценки является округление вещественных
оценок до ближайшего целого, но для этого необходимо, чтобы каж-
дый элемент вектора N* распологался внутри дорожки с истинным
значением вектора ПФН, а корреляционные связи между ними отсут-
ствовали. Однако на практике значения вещественного вектора при-
ближаются к истинным значениям при использовании длительных ин-
тервалов наблюдений (от 30 мин и более [41]). Столь длительное время
наблюдения ограничивает круг задач, для решения которых можно
использовать данный подход. Поэтому разработано несколько алго-
ритмов, осуществляющих поиск целочисленного вектора в области,
определённой на этапе получения вещественных оценок.
Основная трудность при организации поиска целочисленного век-
тора — большие размеры области поиска (для семи НКА число воз-
можных сочетаний составляет 105... 109 [41]), и поскольку поиск
реализуется путём перебора возможных сочетаний значений ПФН,
8.5. Методы относительных измерений
311
Глава 8. Дифференциальная навигация
временные затраты оказываются чрезвычайно большими, что дела-
ет невозможным реализацию методов в реальном масштабе време-
ни. Среди многообразия методов, основанных на принципах полу-
чения оценки методом наименьших квадратов, таких, как Fast Am-
biguity Resolution Approach (FARA) [49], Cholesky Decomposition
method [50], Spectral Decomposition methods [51], Least Squares Am-
biguity Search Technique (LSAST) [52], Fast Ambiguity Search Filter
(FASF) [53], наиболее эффективен метод Least-squares AMBiguity
Decorrelation Adjustment (LAMBDA) [54, 55]. Данный метод ре-
ализует перебор только после существенного сокращения области
поиска (на несколько порядков) путём целочисленного преобразо-
вания области поиска, определяемой корреляционной матрицей D(?,
позволяющего придать ей форму многомерной сферы с центром, опре-
деляемым полученными вещественными значениями. Практическая
эффективность алгоритма LAMBDA подтверждает тот факт, что он
применяется в серийно производимой аппаратуре, поэтому рассмотрим
более подробно данный метод на примере использования массивов фа-
зовых измерений, описываемых нелинейными уравнениями вида (8.15),
полученных в различные моменты времени. Линеаризация подобной
системы уравнений выполняется путём разложения в ряд Тейлора
по неизвестным параметрам с удержанием первых членов разложения:
з
Д2ФЦ - = 2 С,,#Дх4 + м, + v,7 +ч„-, (8.18)
k=l
где Ctjk — направляющий косинус по поправке к £-й относительной
координате Дх&.
Перепишем систему уравнений вида (8.18) с учётом обозначе-
ний (8.16) следующим образом:
y = Hbx + IN + е, (8.19)
где у - Д2Ф,, -
; By = o2W; о —СКО фазовых измерений;
Н — матрица коэффициентов при координатах; I — матрица коэффи-
циентов при ПФН.
Полагая интервал корреляции ошибок измерений меньше времен-
ного интервала между отсчётами, получаем, что общая ковариацион-
ная матрица измерений Ву имеет блочно-диагональную структуру.
Принимая, что неоднозначность является вещественной, методом
наименьших квадратов определяют параметры квадратичной фор-
мы (8.17) АГ и Dv:
N*
Дх*
гв;1/
/гв;1/
гв;'я
яв;‘я
г в;'у
Н'В~]у
(8.20)
312
где D =
— ковариационная матрица вещественных оценок;
Off, D^x
Dx<p Dx
Dx, ВцХ, Dxif), Dy — блоки общей ковариационной матрицы, ковариа-
ционные матрицы отдельных оценок ПФН и координат.
Получение целочисленной оценки N по вещественной N*, соглас-
но (8.17), осуществляется путём последовательного перебора всех воз-
можных сочетаний вектора ПФН, лежащих в области, размеры кото-
рой определяются ковариационной матрицей
Заключительным этапом процесса измерений является уточнение
значений относительных координат с учётом полученной оценки неод-
нозначности N:
Дх = Дх* - DX(fD~\N - N*). (8.21)
где Дх — окончательная оценка вектора относительных координат.
Рассмотренный метод раскрытия неоднозначности фазовых изме-
рений и определения относительных координат является оптимальным
в предположении о нормальном законе распределения измеряемых
параметров. При этом полученное минимизацией (8.20) значение век-
тора ПФН N* будет истинным. Измеряемые параметры подчиняются
нормальному закону распределения, поскольку измерения НП про-
изводятся при высоком отношении сигнал/шум (более 10 дБ) [56],
но только в случае если искажения, вызванные многолучевым характе-
ром распространения сигналов, пренебрежимо малы. Однако во мно-
гих практических случаях, например при работе в плотной городской
застройке, ошибка, вызванная многолучёвостью, приводит к смеще-
нию математического ожидания закона распределения измерения НП.
В этом случае необходимо проверять достоверность полученной це-
лочисленной оценки Af, и вопрос о структуре решающего правила при
раскрытии неоднозначности фазовых измерений приобретает ключе-
вое значение.
Поскольку искажения, вызванные многолучёвостью, изменяют ма-
тематическое ожидание закона распределения измерений, то это может
привести к изменению математического ожидания вещественной оцен-
ки векторов ПФН АГ и относительных координат Дх*. При этом
апостериорные ковариационные матрицы и DX(f зависят только
от геометрии рабочего созвездия и степени его изменения за время
раскрытия неоднозначности.
Например, при использовании для навигационных определений
рабочего созвездия минимального размера (четыре НКА) и выбор-
ки измерений, полученной на коротком временном интервале, закон
распределения (8.16) может иметь несколько мод, имеющих близ-
кие значения. Поэтому нельзя однозначно утверждать, что вектор,
которому соответствует максимальное значение закона распределе-
ния (8.16), является искомым. Для исключения ошибочных решений
разработчиками методов раскрытия неоднозначности [48, 57] ис-
пользуется решающее правило, позволяющее отселектировать явно
8.5. Методы относительных измерений
313
Глава 8. Дифференциальная навигация
некорректные результаты, полученные в результате поиска. Наибо-
лее распространённое правило заключается в сравнении отношения
двух квадратичных форм (8.17) для двух целочисленных векторов,
при которых эта форма принимает минимальные значения с поро-
гом, равным 2 [48]. Однако данное правило не рассматривает случай,
когда закон распределения вектора ПФН имеет ярко выраженный
максимум, но из-за ошибок измерения НП он смещён относительно
истинного значения.
Из сказанного выше следует, что решающее правило процедуры
раскрытия неоднозначности должно проверять:
• отличается ли определённая мода, имеющая максимальное зна-
чение закона распределения (8.16), от мод, имеющих следующие наи-
большие значения в заданное число раз;
• не приводят ли ошибки первичных измерений к смещению мак-
симума закона распределения относительно истинного значения.
Для того чтобы утверждать, что целочисленная оценка jV, опреде-
ляющая глобальный максимум (8.16), является истинным значением
вектора ПФН, необходимо проанализировать форму закона распре-
деления. Если он имеет ярко выраженный максимум, то очевидно,
что полученная оценка является искомой. В противном случае недо-
статочно имеющихся измерений, чтобы однозначно утверждать, что
найденный вектор является истинным.
Реализация данной части решающего правила производится с по-
мощью двух целочисленных векторов ПФН N[ и Мг- Этим двум век-
торам соответствуют наибольшие значения плотности вероятности за-
кона распределения (8.16). При этом значение квадратичной фор-
мы (8.17) вектора TV) больше. При проверке необходимо убедиться,
что правдоподобней Для этого сравним разность значений квад-
ратичных форм с порогом F:
T(N2)-T(Nl)>F. (8.22)
Поскольку стоимости ошибок и априорные вероятности неизвест-
ны, то при расчёте порога применяют эвристический подход. На прак-
тике, особенно при использовании выборок первичных измерений ма-
лого объёма, полученных на коротком временном интервале, значения
плотностей вероятности для векторов Л/) и N? имеют близкие зна-
чения и плохо различаются, поэтому значение F следует выбирать с
некоторым запасом, например 15...30.
В случае если условие (8.22) не выполняется, полученные резуль-
таты следует забраковать в силу их низкой достоверности.
При выполнении условия (8.22) необходимо проверить, что ошибки
измерений не сказались на полученных вещественных оценках век-
торов ПФН N* и относительных координат Лх*. Наличие ошибки
в каком-либо измерении приводит к возрастанию остаточной сум-
мы квадратов от разностей правой и левой частей системы уравне-
314
ний (8.16) при получении вещественных значений:
2 (у - Ci^x* — IN*yB~l(y — С^х* — IN*)
s- =-------------ГТЙТз--------------- (8-23)
где L — размерность вектора измеренных параметров у, М — размер-
ность вектора неоднозначностей У; 3 — размерность вектора коор-
динат Дх. При этом также должно произойти увеличение значения
квадратичной формы (8.17). Если этого не происходит, то, возможно,
ошибки измерений привели к смещению вещественной оценки таким
образом, что полученная максимально правдоподобная целочисленная
оценка вектора ПФН ошибочна. Таким образом, часть решающего
правила, отвечающая за обнаружение ошибочного определения ве-
щественных значений, представляет собой процедуру проверки соот-
ветствия значений остаточной суммы квадратов (8.23) и квадратичной
формы (8.17).
В соответствии со свойствами оценок, полученных методом наи-
меньших квадратов [58], отношения s2CT/o2 и T(N)/(Mc2) имеют
у2-распределения с L — М — ЗиЛ/ степенями свободы соответствен-
но. При этом отношение двух величин, имеющих ^-распределение
подчиняется распределению Фишера с соответствующим числом сте-
пеней свободы [59], поэтому можно записать следующее выражение
для отношения вторых моментов:
(N — N*yD~l(N - N*)
_____М _______
(у - СДх* - (у - СДх* - IN*) '
Выбирая уровень значимости а для Е-распределения, можно уста-
навливать интервал допустимых значений, при попадании в который
отношения оценок выборочных дисперсий принимается решение о со-
ответствии полученного целого вектора действительной оценке. Это
условие можно записать следующим образом:
Е“<Е(^<ЕВ“, (8.24)
где F(N) — значение F-распределения; /•’“ — нижняя граница возмож-
ного значения /•'-распределения при заданном уровне значимости а;
/•’“ — верхняя граница возможного значения F-распределения при за-
данном уровне значимости а.
Совместно условия (8.22) и (8.24) образуют решающее правило,
позволяющее обеспечить раскрытие неоднозначности в соответствии
с выбранным уровнем значимости (вероятностью ошибки).
К недостаткам данных процедур раскрытия неоднозначности сле-
дует отнести необходимость обеспечения непрерывности слежения
за несущей частотой колебаний НКА в ходе всей процедуры и вы-
сокую чувствительность к искажениям, вызванным многолучёвостью.
TJN)
F(W) = =
° ост
8.5. Методы относительных измерений
315
Глава 8. Дифференциальная навигация
Разработка действенных алгоритмов обнаружения и восстановления
искажений фазовых измерений, вызванных сбоем в работе схем ФАПЧ
несущей частоты навигационных приёмников, продолжается постоян-
но, но законченного универсального решения до настоящего времени
на найдено, а наиболее эффективные способы борьбы с искажени-
ями, вызванными многолучёвостью, относятся к области аппаратных
решений, таких, как использование антенн с кольцевыми четвертьвол-
новыми трансформаторами различной формы.
Завершая рассмотрение методов, основанных на использовании
избыточности измерений, необходимо отметить, что с внедрением
гражданских навигационных радиосигналов в нескольких частотных
диапазонах (£1, £2 и £3 ГЛОНАСС, £1, £2 и £5 GPS) данные мето-
ды нашли широкое применение именно для обработки многочастотных
измерений, которые позволяют построить совместную систему урав-
нений, например, при использовании измерений на двух частотах, что
эквивалентно удвоению количества НКА. Кроме того, процедура рас-
крытия неоднозначности может быть дополнена за счёт априорной
информации о соотношении несущих колебаний в разных диапазонах,
что позволяет оптимизировать процедуру поиска вектора, обеспечи-
вающего минимум невязок правой и левой частей решаемой системы
уравнений. Платой за указанный выигрыш является усложнение на-
вигационной аппаратуры в части высокочастотных трактов и много-
частотных антенн.
Общим же недостатком всех методов, основанных на избыточ-
ных измерениях, является необходимость использования измерений
по максимально возможному количеству НКА, но не менее семи. Од-
нако, несмотря на большое количество ограничений, именно методы,
основанные на использовании избыточных измерений, являются оп-
тимальными при раскрытии неоднозначности интерферометров и вы-
сокоточного определения местоположения в реальном времени, полу-
чившие название Real-Time-Kinematic (RTK).
Необходимо помнить, что работа ССФ (см. разд. 5.3) характери-
зуется аномальными ошибками, обусловленными кратковременными
сбоями в сопровождении сигналов по фазе в контуре ФАПЧ. Пере-
скоки могут быть как на чётное, так и на нечётное число полупериодов.
Эффективный метод обнаружения и коррекции сбоев разработан лишь
для статических приложений [45]. В основу этого метода положе-
но измерение приращения фазы, но при движении АП это изменение
будет определяться не только радиальной скоростью НКА, но и ско-
ростью потребителя. Реализация переборных алгоритмов не очень эф-
фективна, так как погрешности в оценках скорости могут дать ошибки,
соизмеримые с погрешностью, которую вносит сбой фазовых изме-
рений. Проводимые в последние десятилетия исследования, направ-
ленные на решение задачи обнаружения сбоя в слежении, при пер-
вичной обработке не позволили найти однозначное решение данной
задачи.
316
Поскольку алгоритмы RTK используются в том числе для решения
задач определения угловой или пространственной ориентации объ-
ектов, при которой антенный интерферометр имеет фиксированную
структуру, то представляется целесообразным для данного класса по-
требиелей рекомендовать проводить инициализацию с целью опреде-
ления длин базовых линий АП в статике.
При этом процедура поиска и устранения сбоев может быть упро-
щена за счёт использования преимуществ, которыми характеризуется
вторая разность — постоянное значение при непрерывном слежении.
Оценки вторых разностей ПФН, полученные по предыдущему от-
счёту, являются априорными оценками значений ПФН в данный мо-
мент. Если эти оценки не совпадают, то есть веские основания утвер-
ждать, что имеет место сбой в измерениях, формируемых по данному
сочетанию НКА. Если сбой имеет место в измерениях по базовому
НКА, то не совпадут все оценки ПФН вторых разностей в данный мо-
мент, если ошибка единична, — сбой в измерениях по второму НКА,
образующему пару.
Если считать, что сбойное измерение локализовано, то самым про-
стым решением является его исключение из работы. По завершении
процедуры определения относительных координат, можно повторно
оценить вторую разность и убедиться, действительно ли имел место
сбой в работе схем ФАПЧ или это просто большой шумовой выброс,
и, если необходимо, оценить и исправить ошибку.
Помимо этого можно использовать преимущества коллинеарности
антенной системы и производить оценку неоднозначности с помощью
оценок относительных координат, полученных за счёт решения задачи
определения ориентации по измерениям псевдо дальности и фазы.
8.5. Методы относительных измерений
Глава 9
ЦЕЛОСТНОСТЬ НАВИГАЦИОННОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
9.1. Основные принципы обеспечения
целостности
9.1.1. Причины нарушения целостности
навигационного обеспечения
Наряду с точностью, доступностью и непрерывностью навигацион-
ного обеспечения к основным общесистемным требованиям относится
целостность — способность ГНСС передавать потребителю свое-
временное и достоверное предупреждение в случаях, когда какие-либо
сигналы нельзя использовать по целевому назначению в полном объ-
ёме. Целостность характеризуется вероятностью передачи потребите-
лям за заданный промежуток времени информации о непригодности
навигационных сигналов того или иного НКА для полноценных НВО.
При обшей высокой надёжности ГНСС не исключена возмож-
ность сбоев в работе их отдельных элементов. Например, эфемериды
или ЧВП, передаваемые с борта НКА GPS и ГЛОНАСС, иногда со-
держат значительные ошибки прогнозирования местоположения НКА
или показаний его БСУ. Поскольку в настоящее время погрешность
прогнозирования указанных параметров (см. гл. 6) составляет едини-
цы метров, отклонение от указанных значений в большинстве случаев
рассматривается как сбой в работе системы. Так, в период с 1997
по 2007 г., в системе GPS погрешности прогноза эфемерид, превы-
шавшие 50 м, имели место в 24 случаях. Последний сбой произошёл
10 апреля 2007 г., когда эфемериды НКА № 54 имели ошибку более
350 м [60]. Кроме того, с помощью специализированной аппарату-
ры [61] был обнаружен сбой экспериментальной полезной нагрузки
на НКА № 49, запущенном в марте 2009 г. и излучающем навигаци-
онный радиосигнал в диапазоне L5. Помимо ошибок, обусловленных
неточностью бортовых эфемерид, существенную группу составляют
ошибки, вызванные либо сбоем в работе БСУ, либо неправильным
прогнозированием ЧВП. Обычно погрешность прогноза ЧВП не пре-
9.1. Основные принципы обеспечения целостности
319
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
вышает нескольких наносекунд, но в ряде случаев (например, если
ЧВП ошибочно заложены на борт КА с обратным знаком) ошибка
может превышать 1 000 м и более. Примеры подобных сбоев приве-
дены в работе [62].
Кроме того, в 1993 г. Центр мониторинга Федеральной авиацион-
ной администрации США (Federal Aviation Administration — FAA) [63]
зафиксировал сбой в работе бортовой аппаратуры — нарушение син-
хронизации между метками времени БСУ и символами метки времени
цифровой информации. Символы метки времени оказались сдвинуты
на 30 нс. Данный одиночный сбой является ярким примером необ-
ходимости мониторинга целостности ГНСС на предмет парирования
неожиданных сбоев.
Все сбои в работе ГНСС можно разделить на четыре груп-
пы [64]:
1) технические сбои, включая человеческий фактор;
2) природные катаклизмы;
3) деградацию орбитальной группировки;
4) нарушения электромагнитной совместимости и постановку пред-
намеренных помех.
Возможные технические сбои были рассмотрены выше, отметим
лишь, что за время работы средств мониторинга, входящих в состав
СДКМ, в период 2009—2012 гг. было выявлено 90 случаев сбоя в ра-
боте ГНСС.
Природные катаклизмы для спутниковой навигации обусловлены
в основном возмущением ионосферы вследствие повышения солнеч-
ной активности, которая длится несколько часов и может привести
к увеличению погрешности навигационных определений в несколько
раз. Например, в сентябре — октябре 2011 г. наблюдались две ионо-
сферные бури продолжительностью 9 и 11 ч соответственно, кото-
рые привели к возрастанию погрешности навигационных определений
в 3—5 раз (до 4,5 м в дифференциальном и до 11 м в абсолютном
режиме).
Преднамеренное или случайное нарушение электромагнитной сов-
местимости или постановка помех ГНСС со стороны других систем —
один из наиболее серьёзных факторов, влияние которых на разви-
тие навигационных технологий постоянно возрастает. В этой свя-
зи отметим, что развитие интеллектуальных транспортных систем
привело к широкомасштабной установке на транспортные средства
аппаратуры мониторинга, включающей приёмное устройство ГНСС
и соответствующий канал связи, например GSM. Поскольку водите-
ли транспортных средств не всегда заинтересованы в том, чтобы их
местонахождение было постоянно известно, на рынке появились пор-
тативные устройства, позволяющие препятствовать мониторингу путём
постановки помех как собственному приёмнику ГНСС, так и аппара-
туре канала связи (рис. 9.1). Несмотря на малую мощность каждого
из таких передатчиков помех, при одновременном использовании,
320
Рис. 9.1. Аппаратура постановки помех АП ГНСС, предназначенная
для использования на транспортных средствах
например, при движении колонны грузовиков они могут привести к на-
рушению НВО в локальной области, например на расположенном
рядом с дорогой аэродроме, что подтверждается данными зарубежных
источников [65, 66].
9.1.2. Требования к целостности навигационного обеспечения
Требования к целостности навигационного обеспечения предъяв-
ляют практически все группы потребителей.
К потребителям, требующим целостного навигационного обеспече-
ния, относятся следующие:
• воздушный транспорт: навигация на маршруте, заход на посадку,
посадка;
• водный транспорт: навигация на реках, маневрирование в портах,
управление разгрузочно-погрузочными работами;
• наземный транспорт: интеллектуальные транспортные системы,
автоматизированное управление транспортными средствами;
• ликвидация чрезвычайных ситуаций: управление грузопотоками
в аэропортах, десантирование грузов.
При этом требования к времени предупреждения о нарушении це-
лостности у морских, речных и наземных потребителей ниже, чем
у воздушных потребителей (табл. 9.1) [7], что обусловлено прежде
всего более высокими скоростями перемещения последних.
Мониторинг целостности ГНСС обычно заключается в своевре-
менном обнаружении ошибок определения координат потребителя,
неприемлемых в сравнении с предъявляемыми требованиями. Обнару-
жение выполняется по специальной процедуре, называемой обнаруже-
нием отказов (Fault Detection) или обнаружением и предотвращением
отказов (Fault Detection&Exclusion). Данная процедура позволяет
обеспечить непрерывность предоставления услуг ГНСС (рис. 9.2).
Выполнение требований по обнаружению отказов контролируется
предоставлением надёжной статистической оценки вероятности пре-
вышения реальной ошибки определения местоположения по сигналам
ГНСС над требуемым уровнем. Наиболее чёткие правила контроля
целостности разработаны для гражданской авиации (рис. 9.3).
9.1. Основные принципы обеспечения целостности
321
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
Таблица 9.1
Требования потребителей к целостности навигационного обеспечения
Потребитель Решаемые задачи Рабочая зона Целостность, вероятность / на операцию Время преду- прежде- ния, с
Воздушный транспорт Полёты по маршруту (трассе) Глобальная, региональная 10~7 / ч 300
Полёты в зоне аэродрома Район аэро- дрома 10-7 / ч 15
Некатегориро- ванный заход на посадку (1-2) • 10-7 / на заход 6-10
Заход и посадка по категориям ИКАО Зона средств посадки (1-2) • 10-7 / на заход 6
Водный транспорт По всему Мировому океану Глобальная 0,998-0,9997 —
В акваториях портов и при выполнении специальных работ Локальная 0,998-0,9997 10
По внутренним водным путям Районы озёр, рек, каналов 0,995-0,998 5
Наземный транспорт Интеллектуаль- ные транспортные системы Региональная, локальная 0,99 —
Манёвры на узловых же- лезнодорожных станциях Локальная 10"11 /ч —
Автоматизиро- ванное управление транспортными средствами 0,9998 1
Управление грузопотоками в аэропортах (1-2) • 10~7 / на заход 6
Ликвидация чрезвычайных ситуаций Десантирование грузов Региональная (1-2) • 10~7 / на заход 6
322
Рис. 9.2. Диаграмма алгоритма обнаружения и предотвращения
отказа:
А — нарушение целостности; £ — нарушение непрерывности
Количественно требования к целостности определяются такими па-
раметрами, как риск нарушения целостности, время выдачи предупре-
ждения и значения уровней предупреждения.
В настоящее время используют две технологии, позволяющие удо-
влетворить в реальном времени требования потребителей к целостно-
сти навигационного обеспечения:
1) автономный мониторинг целостности в приёмном устройстве АП
(Receiver Autonomous Integrity Monitoring — RAIM) (разд. 9.2);
2) использование вспомогательной информации функциональных
дополнений (разд. 9.3).
Одновременно в процессе развития и модернизации ГНСС ведут-
ся активные работы по созданию каналов обеспечения целостности
в самих ГНСС, а с введением новых гражданских навигационных ра-
диосигналов в диапазонах Z.1/L3 ГЛОНАСС, LA/L5 GPS и др. так-
же активно развивается расширенный метод автономного мониторинга
целостности (Advanced RAIM —AR AIM). Однако данные исследова-
ния до настоящего времени не завершены.
9.1. Основные принципы обеспечения целостности
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
Рис. 9.3. Факторы, определяющие целостность
9.2. Автономные методы мониторинга
целостности
Все методы автономного мониторинга целостности базируются
на возможности использования для НВО избыточных ИТНП, по-
скольку в общем случае количество НКА, по которым АП формирует
ИТНП, превышает количество искомых параметров (см. разд. 5.4).
Наибольшее распространение получили три метода автономного мо-
ниторинга целостности:
1) метод сравнения дальностей (range comparison method);
2) метод наименьших квадратов невязок (least-squares residual
method);
3) балансный метод (parity method).
В подразд. 3.1.2 отмечалось, что количество оцениваемых парамет-
ров при решении навигационной задачи зависит от режима работы АП
по одной или нескольким ГНСС. При использовании сигналов одной
ГНСС число оцениваемых параметров равно 4, для двух ГНСС — 5
и т.д. В общем случае в соответствии с формулой (5.5) минимальное
количество НКА для мгновенного решения навигационной задачи рав-
но L. Следовательно, если АП использует для решения навигационной
задачи ИТНП, полученные по измерениям М НКА, то количество ва-
риантов рабочего созвездия, равное числу сочетаний из М ИТНП по L,
может быть определено по известной формуле
СЬ = 1^- <01>
Анализ типичной ситуации с количеством видимых НКА (рис. 9.4)
показывает, что избыточность ИТНП обеспечивается при использо-
вании как одной, так и двух ГНСС.
При использовании метода сравнения дальностей из всего состава
НКА выбирают минимально необходимое количество НКА, которые
формируют базовое созвездие. ИТНП по радиосигналам НКА базо-
вого созвездия получают оценку параметров вектора состояния по-
9.2. Автономные методы мониторинга целостности
325
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
требителя g. Полученные значения g используют для расчёта невязок
измеренных и расчётных значений для ИТНП по НКА, не вошед-
шим в базовое созвездие. Полученные значения невязок для каждого
НКА сравниваются с априорно заданным пороговым значением, и ес-
ли значение невязки превосходит пороговое значение, то принимается
решение об исключении из рабочего созвездия НКА, измерения кото-
рого не использовались для получения оценок g
Метод наименьших квадратов невязок является, по сути, составной
частью алгоритма работы АП при определении параметров вектора
состояния. В соответствии с формулами (5.5) и (5.6) в любой момент
времени можно сформировать оценку поправок к априорно известным
координатам Ag = g — g'.
^g = (GJW-lG)-'GJW~l(S-R), (9.2)
где W — ковариационная матрица ИТНП.
Полученные оценки поправок позволяют оценить вектор невязок Л
правой и левой частей уравнения (5.5):
Л = S - R - G kg. (9.3)
Используя (9.2), выражение (9.3) можно записать в следующем виде:
Л= |7-G(GTW'-|G)~IGTIK-1] (S-Я). (9.4)
На основании рассчитанных в соответствии с (9.4) значений век-
тора Л формируется оценка суммы квадратов невязок:
Т = ЛТЛ. (9.5)
Если ИТНП — независимые случайные величины, подчиняющиеся
нормальному закону распределения, величина Т подчиняется ненор-
мированному распределению у2 с (М — L) степенями свободы.
Поскольку Т — положительная скалярная величина, решающее
правило заключается в сравнении значения Т с априори рассчитанным
для каждого значения М числом (порогом). В работе [67] предложено
использовать в качестве решающей статистики величину VT/(Af — L).
326
Балансный метод автономного мониторинга целостности является
развитием метода сравнения дальностей, основанным на улучшении
алгоритма формировании решающей статистики. Расчёт решающей
статистики в соответствии с выражениями (9.4) и (9.5) заменяется
расчётом дополнительного вектора р:
Р
(GtW~xG)-iG'!W-x
Р
(S-P),
(9.6)
где Р — весовая матрица размера (Л4 — L) х М.
Весовая матрица взаимно ортогональна, её строки образуются
из столбцов матрицы G. Решающее правило в балансном методе
по аналогии (9.5) сводится к сравнению скалярной величины рт • р
с порогом.
К безусловным достоинствам методов автономного мониторинга
целостности относятся:
• возможность при наличии избыточных ИТНП автономного выяв-
ления одиночных или групповых сбоев в работе НКА непосредственно
в АП;
• обеспечение мгновенной выдачи сигналов предупреждения при
превышении значениями решающей статистики априорно заданных
значений пороговых уровней предупреждения.
Основными недостатками данных методов являются:
• зависимость их работоспособности от количества используе-
мых НКА;
• необходимость расчёта и использования различных значений ве-
личин решающих порогов для конкретных параметров рабочего со-
звездия и значений ГФ.
Вместе с тем в последние годы проводятся активные работы по раз-
витию алгоритмов автономного контроля целостности. Наиболее
масштабные исследования выполняет Федеральная авиационная ад-
министрация США, которая разрабатывает улучшеный алгоритм
автономного контроля целостности (Advanced RAIM — ARAIM). Ос-
новной целью работ по развитию ARAIM является обеспечение воз-
можности управления по высоте воздушными судами в глобальном
масштабе на основании сигналов НКА нескольких ГНСС, предо-
ставляющих услуги посредством навигационных радиосигналов в двух
частотных диапазонах [64]. Совместное использование сигналов двух
и более ГНСС снижает уязвимость навигационного обеспечения по-
требителя в условиях деградации какой-либо системы.
В то же время реализация ARAIM требует создания дополни-
тельной наземной инфраструктуры и каналов доставки ассистирую-
щей информации на борт воздушного судна. В связи с этим ARAIM
является одним из направлений сближения автономных алгоритмов
контроля целостности и технологий контроля целостности с исполь-
зованием функциональных дополнений, рассматриваемых в разд. 9.3.
9.2. Автономные методы мониторинга целостности
9.3. Обеспечение целостности с помощью
систем функциональных дополнений
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
При решении практических задач, критически важных для безопас-
ности человека (в первую очередь в гражданской авиации), в ГНСС
широко используют системы функциональных дополнений наземно-
го (Ground Based Augmentation System — GBAS) и космического
(Space Based Augmentation System — SBAS) базирования. Эти си-
стемы обеспечивают потребителя дополнительной информацией, фор-
мируемой на основе ИТНП одной или сети ССИ.
В главе 8 отмечалось, что дифференциальные системы, к кото-
рым относятся SB AS и GBAS, обеспечивают потребителя инфор-
мацией, позволяющей повысить точность НВО, а также предотвра-
тить использование информации, вводящей в заблуждение (Hazard
Misleading Information — HMI) на различных этапах полёта (рис. 9.5).
При этом риск потери целостности определяется, как вероятность
недиагностированной (скрытой) потери заданной точности [68] (в час
или на операцию). Время предупреждения потребителя о несоответ-
ствии параметров системы предельно допустимым эксплуатационным
параметрам равно максимально возможному временному интервалу
между моментом сбоя в работе системы и моментом выдачи преду-
преждения средствами мониторинга [68].
Различают две группы уровней предельно допустимых эксплуата-
ционных параметров (рис. 9.6):
1) предельно допустимые уровни предупреждения;
2) предельно допустимые аварийные уровни.
328
Рис. 9.6. Предельно допустимые эксплуатационные параметры
Рис. 9.5. Этапы посадки воздушного судна:
£> — ГНСС, выше 100 м; | \ — широкозонные системы, 60...100 м; Q
широкозонные системы, 30.. .60 м; | — локальные системы, 0.. .30 м
Предельно допустимый уровень предупреждения при определении
плановых координат называется горизонтальным защитным уров-
нем Shpl (Horizontal Protection Level — HPL) и определяется как
радиус круга в горизонтальной плоскости с центром в точке реаль-
ного положения потребителя, для которого выполняются требования
к ошибкам 1-го и 2-го рода (ложной тревоги и пропуска события) для
выбранной группы НКА. Значение Shpl зависит от ГФ и от погреш-
ности оценки ИТНП, но не зависит от реальных измерений. Поэтому
данное значение может быть априорно спрогнозировано.
Предельно допустимый уровень предупреждения при определении
высоты называется вертикальным защитным уровенем 5vpl (Vertical
Protection Level — VPL) и равен половине длины отрезка в вертикаль-
ном направлении с центром в точке реального положения потребителя,
для которого соблюдаются требования к ошибкам 1 -го и 2-го рода для
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
329
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
выбранной группы НКА. Значение 5Vpl прогнозируется и также зави-
сит от ГФ и погрешности ИТНП, но не зависит от ИТНП.
Иногда при рассмотрении допустимых уровней предупреждения
при оценке плановых координат и высоты используют величины гори-
зонтального (Horizontal Exclusion Level —HEL) и вертикального ис-
ключающего (Vertical Exclusion Level — VEL) уровней. Данные уровни
определяют требования по точности к ошибкам 1-го и 2-го рода.
Предельно допустимые аварийные уровни определяют значения
максимально допустимой ошибки определения местоположения по-
требителя, в пределах которой возможна безопасная навигация. Зна-
чения предельно допустимых аварийных уровней определения пла-
новых координат 5hal (Horizontal Alert Level — HAL) и высоты будь
(Vertical Alert Level —VAL) априорно задаются для всех фаз полёта,
начиная с грубого захода на посадку
В действующей нормативной документации сбоем в определении
координат потребителя считается превышение погрешности определе-
ния местоположения 5hpl(5vpl) или ShalGKal) (при наличии навига-
ционного оборудования на борту воздушного судна).
Пропуск сбоя, т. е. ситуация, при которой ошибка местоопределе-
ния превысила порог (табл. 9.2), но не была идентифицирована в те-
чение заданного времени (см. рис. 9.2), приводит к нарушению це-
лостности НВО. Поэтому при проектировании систем мониторинга
и контроля целостности задаются значением вероятности пропуска
сбоя, которая должна быть меньше или равна 0,001 при любом зна-
чении ГФ и режима навигации (от полётов по маршруту до грубой
посадки) независимо от того, какой НКА отказал.
Таблица 9.2
Требования к погрешности определения
местоположения на различных этапах полёта
Режим полёта Оценки точности, м
8нрь 8vpl
По маршруту 1 852 (1 NM*) —
До пункта назначения 1 852 (1 NM) —
Грубая посадка 555 (0,3 NM) 555 (0,3 NM)
Точная посадка 10-15 10-15
* 1 NM — nautical mile (морская миля) = 1 852 м.
Мониторинг состояния радионавигационного поля ГНСС осуществ-
ляет наземное оборудование GBAS, которое в реальном времени опо-
вещает потребителей о целостности поля путём передачи информации,
на основании которой АП вычисляет значения Shpl(Svpl)- При этом
считается, что АП исправна и корректирующая информация не поз-
воляет компенсировать лишь аппаратурные погрешности.
330
Дифференциальная система GBAS включает (рис. 9.7) комплект
независимых навигационных приёмников ГНСС, устройства обработ-
ки данных ИТНП и их передачи. Каждый из четырёх навигацион-
ных приёмников имеет независимую приёмную антенну, как правило,
оснащённую системой исключения приёма переотражённых сигналов
Chock Ring, представляющую собой семейство кольцевых четверть-
волновых трансформаторов (см. гл. 5).
Рис. 9.7. Архитектура GBAS
Устройство обработки данных на основе сформированных приём-
никами ИТНП осуществляет:
• расчёт локальных дифференциальных поправок к измерениям
псевдодальности;
• формирование сообщений для воздушных судов, включающих
данные о системе GBAS и данные для конечного этапа захода на по-
садку;
• прогнозирование данных об эксплуатационной готовности НКА
ГНСС;
• контроль работоспособности входящих в состав GBAS приёмни-
ков и целостности ИТНП.
Погрешность измерения псевдо дальности для отдельного НКА по-
сле применения КИ GBAS можно оценить по следующей формуле:
as =
+ ^/е)2 . о
М + 2’
(9.7)
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
331
где Л4 — количество приёмных устройств в составе GBAS; 9,—угол
места /-го НКА; а0, а\, а%, 6 — табулированные коэффициенты
(табл. 9.3).
Таблица 9.3
Коэффициенты для оценки точности КИ
Показатель точности Bi, град do, м dl, м d2, М 6, град
А >5 0,5 1,65 0,08 14,3
В >5 0.16 1,07 0.08 15.5
С >35 0,15 0,84 0,04 15,5
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
Устройство передачи данных осуществляет передачу полученных
из устройства обработки сообщений посредством радиосигналов на од-
ной из несущих частот в диапазоне 108,000...117,975 МГц. Шаг сетки
частот равен 25 кГц, а относительная нестабильность несущей ча-
стоты должна быть не хуже 2- 10~4. В дифференциальной системе
GBAS используется метод многостанционного доступа с временным
разделением каналов и фиксированной структурой кадра. Передача
данных происходит в течение одного или двух заданных временных
интервалов в каждом кадре, в котором передаётся одно или более
сообщений. Данные GBAS передаются в виде 3-разрядных симво-
лов, модулирующих излучаемую частоту при помощи 8-позиционной
дифференциальной фазовой манипуляции со скоростью 10500 сим-
волов в секунду. Данные кодируются систематическим кодом Рида —
Соломона фиксированной длины.
Дифференциальная система космического базирования SBAS яв-
ляется гораздо более сложной системой, чем GBAS, поскольку раз-
работана для обеспечения потребителя информацией, позволяющей
предотвращать использование ГНСС при сбоях в их работе, не об-
наруженных или не исправленных её собственными средствами в про-
цессе эксплуатации. В состав SB AS входят сети станций мониторинга,
центры обработки, космические каналы передачи данных потребите-
лям на базе КА на ГСО (см. разд. 8.4).
Если при автономном мониторинге в GBAS решается задача обна-
ружения сбоя вне зависимости от причины его возникновения, то в ос-
нове SB AS лежит принцип раздельной компенсации составляющих
погрешности НВО с целью уменьшения их значений до приемлемого
уровня. Кроме того, SBAS осуществляет оценку потенциальных угроз
нарушения целостности и обеспечивает потребителя данными, гаран-
тирующими, что остаточная погрешность НВО не превысит априорно
заданного уровня.
Первоначально SBAS разрабатывалась как система обеспечения
целостности ГНСС для посадки воздушных судов с определением на-
правления и управления по высоте. При посадке самолётов различают
два уровня требований к НВО, которые обозначают LPV и LPV-200.
Требования LPV-200 действуют при снижении до высоты 60 м, а тре-
332
бования LPV — до уровня 30 м над поверхностью Земли и являются
более жёсткими. Необходимо отметить, что самые жёсткие требования
к целостности (см. табл. 9.1) предъявляются при управлении желез-
нодорожным транспортом на узловых станциях, поскольку в правилах
Европейской железнодорожной системы управления установлена це-
лостность 10-11. Тем не менее далее проблема контроля целостности
рассматривается на примере гражданской авиации как наиболее на-
глядном.
В соответствии с [40] основными причинами нарушения целостно-
сти ГНСС являются сбои в работе НКА ГНСС, КА на ГСО, станций
мониторинга, Центров управления и средств закладки информации
на борт КА на ГСО, а также возмущения среды распространения.
Структурная схема алгоритма контроля целостности SB AS, осно-
ванная на проведении анализа КИ с целью обеспечения целостности
с учётом перечисленных выше источников угрозы её нарушения, при-
ведена на рис. 9.8.
Рис. 9.8. Структурная схема алгоритма контроля целостности в SB AS
Необходимо помнить, что система обработки ИТНП и формирова-
ния КИ строится таким образом, чтобы гарантировать безотказность
работы аппаратных средств и программного обеспечения мониторинга.
В соответствии с требованиями [69] технические средства монито-
ринга должны обеспечивать формирование КИ, применение которой
совместно с ИЦ обеспечит точность НВО потребителя, удовлетворя-
ющую априорно заданным пороговым значениям. Поскольку для ре-
шения задач НВО используется метод наименьших квадратов, то при
формировании ИЦ оцениваются значения погрешности ЭВИ после
применения КИ oudre (User Differential Range Error —UDRE) и по-
грешности компенсации ионосферной погрешности в узлах ионосфер-
ной сетки ogive (Grid Ionospheric Vertical Error —GIVE). При этом
для формирования КИ и ИЦ используют два подхода: «считай, затем
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
333
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
контролируй» и «контролируй, затем считай», которые одинаково при-
емлемы для построения системы SBAS. Первый подход предполагает,
что на основе вторичной обработки ИТНП формируются КИ и ИЦ,
которые затем подвергаются процедуре верификации с целью провер-
ки соответствия достигнутого уровня точности пороговым значениям.
Подобная верификация позволяет в случае возникновения сбоя вы-
дать потребителю предупреждение о том, что либо соответствующий
НКА нельзя использовать, либо его мониторинг не осуществляется.
Второй подход предполагает, что первоначально ИТНП подвергает-
ся тщательной проверке на соответствие требованиям к целостности.
При таком подходе сформированные КИ и ИЦ больше не подверга-
ются проверке.
Рассмотрим более подробно все указанные источники угроз нару-
шения целостности, а также подходы к их предотвращению и мини-
мизации вносимых ими погрешностей.
Несмотря на то что погрешности ИТНП ГНСС за счёт косми-
ческого комплекса изучены достаточно хорошо и методы снижения
их значений описаны во многих книгах и статьях, технология оцен-
ки угроз целостности, вызванных такими составляющими, как ЧВП,
эфемериды, взаимная синхронизация несущих колебаний и огибающей
и т. п., обеспечивает защиту от очевидных сбоев и находится в началь-
ной стадии развития.
Поскольку погрешность ЧВП, передаваемых в составе НС, пол-
ностью входит в погрешность ИТНП (см. гл. 6), то для её уменьшения
SBAS самостоятельно оценивает ЧВП по каждому НКА и передаёт
данную информацию потребителю. Так как отказы БСУ, часто наблю-
дающиеся в работе НКА, приводят к неконтролируемому изменению
ИТНП, зачастую с большим ускорением, то КИ должна обновляться
достаточно оперативно, чтобы компенсировать ошибку или предупре-
дить о данном сбое потребителя.
При отсутствии сбоев поправки SBAS к значениям ЧВП вычис-
ляют путём калмановской фильтрации ИТНП, а значение параметра,
позволяющего оценить значение oudre, определяют с учётом оста-
точной невязки измеренных и расчётных значений ИТНП и априорно
заданных пороговых значений.
В случае сбоя программный комплекс мониторинга проверяет, что
значение погрешности НВО при использовании КИ не превышает по-
рогового значения, соответствующего априорно заданной вероятности
пропуска. Поскольку мониторинг должен осуществляться на основе
ИТНП, которые не использовались для формирования КИ, то в ре-
зультате может быть либо дана оценка параметра oudre, либо выданы
сигналы предупреждения «не мониторится» или «не использовать»
в зависимости от значения погрешности оценки ЧВП.
Эфемеридная информация позволяет потребителю определить ме-
стоположение и скорость НКА, что необходимо для решения нави-
гационной задачи в АП. Любая погрешность в значениях координат
334
и параметров вектора скорости НКА приводит к погрешности НВО
и, следовательно, является потенциальной угрозой нарушения целост-
ности.
В условиях штатной работы SBAS оценивает эфемериды и их
вклад в оценку oudre по аналогии с ЧВП. При этом поправки к эфе-
меридам носят долговременный характер, поскольку движение НКА
по орбите хорошо прогнозируется. Однако следует отметить, что каче-
ство прогноза определяется географией построения сети измеритель-
ных средств, входящих в состав SBAS. Для учёта влияния географии
сети станции на точность оценки КИ в сообщении 28 SBAS передаётся
масштабный коэффициент для определения значения oudre в АП.
Поскольку основной угрозой нарушения целостности НВО вслед-
ствие превышения погрешности оценки эфемерид является неожи-
данный манёвр НКА, то география сети станций SBAS должна быть
выбрана таким образом, чтобы в любой момент времени полученные
данной сетью ИТНП позволяли бы сформировать КИ, учитывающую
подобный манёвр.
Взаимная когерентность несущих колебаний и огибающей навига-
ционного радиосигнала — один из важнейших факторов, определяю-
щих точность НВО, так как метод объединённой синхронизации [21]
или сглаживания измерений псевдодальности с помощью прираще-
ний измерений фазы [11] позволяет уменьшить погрешность ИТНП.
Однако в основе указанных технологий повышения точности оценки
ИТНП лежит допущение о том, что несущие колебания и огибающая
когерентны, поэтому нарушение когерентности приводит к невозмож-
ности совместно обрабатывать измерения псевдо дальности и псевдо-
фазы для задачи раскрытия неоднозначности псевдофазовых измере-
ний при относительных измерениях (см. подразд. 8.4.2).
Непосредственно из описания причины сбоя в работе ГНСС вы-
текают требования к средствам мониторинга SBAS, которые обязаны
контролировать взаимную когерентность несущих колебаний и оги-
бающей и точно определять момент её нарушения. При разработке
алгоритмов оценки когерентности необходимо учитывать и подходы
к обработке ИТНП, полученных по несущим и огибающим колеба-
ниям радиосигналов НКА для решения задач оценки ЭВИ в SBAS,
и построение алгоритмов вторичной обработки и сглаживания ИТНП
в АП. Кроме того, наибольшую опасность для потребителя представ-
ляют ситуации, при которых нарушение когерентности носит кратко-
временный характер (несколько секунд) в моменты первоначального
захвата радиосигнала НКА в АП. Поскольку для SBAS подобный
сбой может находиться внутри допустимого интервала выдачи преду-
преждения, потребитель начинает оценивать свои координаты по этим
искажённым ИТНП.
Не менее опасным для решения задач высокоточного определе-
ния местоположения является сбой, связанный с изменением значе-
ния разности аппаратурных задержек навигационных радиосигналов
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
335
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
в различных диапазонах (например, LA и L2 для ГЛОНАСС и GPS),
поскольку для решения задач высокоточного определения местополо-
жения (см. гл. 6, 8, 11) используются ИТНП, сформированные по ра-
диосигналам в разных диапазонах, с целью оценки величины задержки
радиосигнала в ионосфере. Информация о данном смещении необ-
ходима также и самой SBAS для решения задач оценки ЭВИ, по-
этому в штатном режиме значение межканальных задержек оценива-
ется, но не передаётся потребителю. Первое поколение SBAS было
разработано для НВО потребителя, использующего одночастотную
АП, поэтому оценка взаимной когерентности радиосигналов в двух
диапазонах частот не была предусмотрена. В настоящее время все
существующие и перспективные ГНСС предоставляют открытые услу-
ги посредством радиосигналов в трёх частотных диапазонах. В связи
с этим задача обеспечения потребителя информацией о данном сбое
является новой и чрезвычайно актуальной.
Отдельную категорию сбоев в работе НКА ГНСС составляют от-
казы бортовой аппаратуры НКА, которые, например, могут выражать-
ся в том, что номера дальномерной ПСП в альманахе и в формируемом
радиосигнале для какого-либо НКА не совпадают из-за сбоя в работе
формирователя навигационного радиосигнала или НКА излучает на-
вигационный радиосигнал на несущей частоте, отличной от номиналь-
ного значения вследствие сбоя в работе синтезатора частот бортового
источника навигационного сигнала. Подобные отказы являются труд-
нопрогнозируемыми, поэтому аппаратно-программные средства (стан-
ции мониторинга и центр управления) SBAS могут быть не в состоянии
обнаружить, сформировать КИ и выдать потребителю сигналы преду-
преждения.
Огромное влияние на целостность НВО оказывают природные
и техногенные возмущения среды распространения радиосигналов
НКА. В главе 6 отмечено, что навигационные радиосигналы при про-
хождении ионосферы претерпевают дополнительную задержку бтион,
которая зависит от местоположения потребителя, времени суток, уг-
ла места НКА относительно потребителя и солнечной активности.
Для уменьшения погрешности ИТНП SBAS формирует оценки па-
раметров модели задержки 5тион. В условиях спокойной ионосферы
оценка параметров модели осуществляется стандартными методами,
однако в условиях возмущения ионосферы, которое носит, как прави-
ло, региональный характер, параметры модели могут не обеспечивать
в отдельных областях требуемой точности оценки и компенсации <5тион
из-за недостаточности данных от станций сбора измерений. Более
подробно принципы построения входящей в состав SBAS подси-
стемы оценки задержки радиосигналов в ионосфере рассмотрены
в гл. 10. Отметим лишь, что в SBAS вертикальную ионосферную
задержку оценивают в узлах ионосферной сетки с шагом 5° в юж-
ных и средних широтах и 10° в высоких. Очевидно, что подобная
архитектура ионосферной сетки неоптимальная и данных SBAS мо-
336
жет быть недостаточно для компенсации задержки 5тион, поскольку
максимумы ионосферной активности могут находиться между узлами.
С учётом серьёзности данной угрозы для целостности ГНСС в SBAS
реализовано дополнительное оценивание погрешности ИТНП в уз-
лах ионосферной сетки ogive- Данный параметр также оперативно
обновляется, что позволяет потребителю идентифицировать случаи
возрастания ионосферной активности и принять меры по предот-
вращению использования ГНСС в условиях ионосферного шторма.
В подобных случая особую важность приобретает стабильность ка-
нала передачи информации потребителю, поскольку, в случае сбоя
при передаче актуальных данных о состоянии ионосферы в АП будут
использоваться параметры модели, переданные ранее, что может при-
вести к существенной погрешности НВО. Указанные обстоятельства
предъявляют высокие требования к оперативности оценки и обновле-
ния параметра ogive-
Как отмечалось выше, кроме ионосферы на погрешность НВО
существенное влияние оказывает тропосферная задержка 5ттроп, ко-
торая зависит от температуры, влажности, атмосферного давления
и угла места НКА относительно потребителя. Поскольку большинство
потребителей не имеют возможности определить указанные гидроме-
теорологические параметры в точке расположения АП, то для оценки
величины 5ттрОп используют соответствующие модели (см. разд. 6.3).
В то же время SBAS, используя информацию метеодатчиков ССИ,
оценивают величину вертикальной тропосферной задержки, сравни-
вают её значение с оценкой, рассчитываемой по модели, и учиты-
вают измеренную величину задержки при формировании парамет-
ра O(JDRE-
Вторую группу угроз составляют сбои, связанные с доставкой КИ
и ИЦ потребителю по различным каналам, которые включают следу-
ющие основные события:
• сбои в работе наземных и космических средств доставки КИ
и ИЦ через КА на ГСО;
• сбои в работе наземных каналов передачи КИ и ИЦ через сеть
Интернет;
• возмущения на трассе распространения радиосигналов КА
на ГСО.
Основным для доставки КИ и ИЦ является космический канал
на базе КА на ГСО, на борту которого установлен бортовой радио-
технический комплекс (БРТК), осуществляющий ретрансляцию ра-
диосигнала, сформированного земной станцией. Поскольку основную
угрозу нарушения целостности из-за космических каналов доставки
представляют сбои в работе аппаратно-программных средств земной
станции и БРТК, то для их предотвращения на этапе проектирования
SBAS выполняется расчёт надёжности, выявляющий составные части,
для которых разрабатываются меры по резервированию и регламен-
ту работы. В основном наземные средства дублируются и работают
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
337
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
в режиме «горячего резервирования», предполагающем одновремен-
ную работу двух контуров формирования радиосигналов земной стан-
ции на усилители мощности. Составные части БРТК также дубли-
руются с организацией перекрёстных связей между всеми составными
частями, чтобы канал ретрансляции можно было организовать из при-
боров, входящих в разные полукомплекты БРТК.
Наземные каналы передачи КИ и ИЦ, построенные, как прави-
ло, на базе сетей подвижной связи и сети Интернет, не обеспечивают
выполнения требований к оперативности доставки указанной инфор-
мации потребителю, поэтому используются для повышения точности
НВО в условиях отсутствия в зоне видимости АП КА на ГСО.
Необходимо отметить, что при реализации режима излучения с бор-
та КА на ГСО дальномерного радиосигнала необходимо учитывать
те же угрозы, которые были перечислены выше применительно к на-
вигационным радиосигналам НКА ГНСС. Поскольку формирова-
ние навигационного радиосигнала осуществляется на земной станции,
а не на борту НКА, то среда распространения оказывает существенное
влияние на когерентность несущих колебаний и огибающей, кото-
рые подвергаются воздействию ионосферной рефракции на линиях
Земля —КА и КА —Земля. В связи с этим земная станция долж-
на обеспечить формирование радиосигнала таким образом, чтобы
несущие колебаний и огибающая излучаемого с борта КА на ГСО
радиосигнала были когерентны.
Третью группу угроз нарушения целостности составляют сбои в ра-
боте станций мониторинга и центров управления SBAS, включающие
следующие события:
• сбои в работе станций мониторинга;
• сбои, связанные с искажениями, вызванными помехами, а также
многолучевым характером распространения навигационных радиосиг-
налов и помех;
• сбои в работе опорных стандартов частоты станций мониторинга;
• сбои в работе средств центров управления SBAS.
Сбои в работе станции мониторинга могут иметь как аппаратную,
так и программную природу, связанную в первую очередь с работой
ССЗ огибающей и ФАПЧ несущих колебаний приёмного устройства.
Приёмное устройство станции мониторинга также производит демо-
дуляцию НС, передаваемого в составе навигационного радиосигнала.
Поскольку в состав станций мониторинга входят устройства кодиро-
вания информации, включающей ИТНП, бортовую ЭВИ, информацию
об отношении сигнал/шум в каналах приёмного устройства, метеодан-
ные и другую служебную информацию, которая используется в центре
для формирования КИ и ИЦ, то ошибки в формировании потока дан-
ных со станции в центр SBAS также представляют угрозу нарушения
целостности. Для предотвращения данного вида угрозы в приёмном
устройстве осуществляется автономный мониторинг целостности в со-
ответствии с одним из приведённых в разд. 9.2 алгоритмов, а для
338
защиты от ошибок передачи данных используются сертифицирован-
ные средства кодирования и шифрования данных.
Многолучёвость и помехи могут сделать ИТНП непригодными для
вторичной обработки при формировании КИ и ИЦ, поэтому места
расположения станций мониторинга выбирают исходя из требований
электромагнитной совместимости и отсутствия естественных и руко-
творных препятствий на пути распространения навигационных радио-
сигналов.
Для повышения точности оценки поправок к ЧВП станции
мониторинга, к условиям эксплуатации которых предъявляются жёст-
кие требования, оборудуют высокостабильными атомными стандарта-
ми частоты, предъявляющими жёсткие требования к условиям экс-
плуатации. Выход из строя такого стандарта приведёт к возрастанию
вычислительной нагрузки на центр управления SBAS, поэтому по-
добные отказы должны оперативно обнаруживаться и ИТНП с таких
станций исключатся из процесса обработки.
Центры управления (их, как правило, несколько для обеспечения
требуемой надёжности) являются основой SBAS, поскольку они про-
пускают через себя ИТНП и служебную информацию, из которой фор-
мируют КИ и ИЦ. При этом для формирования КИ и ИЦ SBAS также
могут использоваться описанные выше подходы «считай, затем кон-
тролируй» или «контролируй, затем считай», которые одинаково при-
емлемы для построения системы SBAS. Первый подход предполагает,
что на основе вторичной обработки ИТНП формируются КИ и ИЦ,
которые затем подвергаются процедуре верификации с целью провер-
ки соответствия достигнутого уровня точности пороговым значениям.
Подобная верификация позволяет в случае возникновения сбоя вы-
дать потребителю предупреждение о том, что либо соответствующий
НКА нельзя использовать, либо его мониторинг не осуществляется.
Второй подход предполагает, что первоначально ИТНП подвергает-
ся тщательной проверке на соответствие требованиям к целостности.
При таком подходе сформированные КИ и ИЦ больше не подверга-
ются проверке.
При рассмотрении систем типа SBAS необходимо отметить, что
одной из важнейших характеристик услуг этих систем является мак-
симально допустимое время предупреждения (Time То Alarm — ТТА)
о нарушении целостности в случае возникновения и обнаружения угро-
зы такого события, которое определяется временем формирования
ИТНП и их доставки в центр обработки, задержками на обработку
и формирование КИ и ИЦ, временем формирования сообщения и за-
держкой на трассе распространения земная станция —КА на ГСО
и КА на ГСО — потребитель.
Завершая рассмотрение вопроса об обеспечении целостности НВО
с помощью функциональных дополнений нельзя обойти вниманием рас-
тущий интерес потребителей к обеспечению целостности при высоко-
точных навигационных определениях. Внедрение новых навигационных
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
339
Глава 9. Целостность навигационного обеспечения
радиосигналов в нескольких частотных диапазонах, увеличение коли-
чества НКА, развёртывание новых глобальных и региональных нави-
гационных систем, создание глобальных сетей измерительных станций
делают доступными для большого числа потребителей возможности аб-
солютных высокоточных навигационных определений с погрешностью
0,1 м (СКП) (см. гл. 11 и 12). Высокая точность позволяет широко
использовать ГНСС не только для мониторинга транспортных средств
с целью сбора платы за проезд и стоянку, но и для управления различ-
ными объектами без участия человека, включая посадку беспилотных
летательных аппаратов, движение транспортных средств в пределах по-
лосы и т. п. При этом всем категориям потребителей необходимы га-
рантии того, что полученные результаты достоверны.
Методический аппарат оценки целостности навигационного обес-
печения, разработанный при создании SBAS, может использоваться
для оценки качества высокоточного навигационного обеспечения с це-
лью гарантировать их достоверность. Пропуская детальный анализ
технологии высокоточных абсолютных навигационных определений,
рассматриваемый в гл. 11, воспользуемся её возможностями — про-
ведением навигационных определений с погрешностью 0,1 м (СКП)
в реальном времени за счёт высокой точности ЭВИ, использованием
ИТНП по несущим и огибающим колебаниям на двух и более частотах
и т. п.
Добиться высокой точности навигационных определений позволя-
ет однозначная физическая сущность явлений, влияющих на соот-
ветствующие составляющие бюджета погрешности ИТНП. Несмот-
ря на то что физическая природа данных явлений хорошо изучена,
что позволяет выявлять аномалии в их состоянии, наличие целого
ряда внешних условий, необходимых для успешного функционирова-
ния алгоритмов высокоточных навигационных определений, является
серьёзным ограничением, с которым нельзя не считаться. Основными
ограничениями на эффективное использование алгоритмов высокоточ-
ных навигационных определений являются:
— необходимость непрерывного наблюдения и формирования
ИТНП по радиосигналам большого числа НКА в течение длитель-
ных интервалов времени (5.. .30 мин);
— необходимость проведения навигационных определений по всем
видимым НКА, в том числе входящим в орбитальные группировки раз-
личных ГНСС;
— зависимость от точности и оперативности обновления ЭВИ,
а также надёжности линии передачи данной информации в АП.
Поскольку контроль целостности осуществляется в рамках реше-
ния конкретных детально описанных задач, то разработка алгоритмов
контроля целостности при решении задач высокоточной навигации ос-
новывается на тщательном анализе требований, предъявляемых по-
требителем в каждом конкретном случае. Наиболее сложной задачей
является обеспечение целостности при управлении наземным транс-
340
портным средством, поскольку остальные типы потребителей (воздуш-
ные и морские суда, железнодорожный транспорт) работают в гораздо
более благоприятных условиях.
В целом при решении задачи разработки алгоритма контроля це-
лостности при высокоточных навигационных определениях требуется
учитывать следующие обстоятельства.
В отличие от алгоритмов RTK АП вычисляет абсолютные, а не от-
носительные координаты, поэтому наличие ошибок в привязке локаль-
ной геодезической системы координат к общеземной может приводить
к ошибкам в интерпретации полученных результатов навигационных
определений.
Соответствующие уровни защиты и тревоги должны выбираться
с некоторым запасом для снижения вероятности ложной тревоги.
Использование ИТНП, полученных по несущим колебаниям, при-
вносит дополнительные требования к качеству работы ССФ АП, осо-
бенно в части сбоев в работе схем ФАПЧ в части перескоков из одного
устойчивого состояния в другое, что делает исследования в данной об-
ласти чрезвычайно актуальными (см. разд. 8.5).
Достижение высокой точности возможно только при использова-
нии актуальной высокоточной ЭВИ, что обеспечивается качественной
работой центров её формирования и надёжностью каналов передачи
данной информации.
Предварительные исследования [70] показывают, что пороговые
защитные значения могут быть снижены на порядок по сравнению
с текущими значениями (см. табл. 9.2) до значений 0,3.. .0,5 м.
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных дополнений
Глава 10
РОССИЙСКАЯ СИСТЕМА
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ
И МОНИТОРИНГА
10.1. Общие сведения
10.1.1. История создания СДКМ
Необходимость создания российской спутниковой дифференци-
альной системы (РДС) и системы контроля целостности (СКЦ) стала
очевидна в середине 1990-х годов, когда полностью развёрнутая ор-
битальная группировка ГЛОНАСС была введена в штатную эксплуа-
тацию. В 1996 г. специалистами Российского космического агентства,
Департаментов морского транспорта, воздушного транспорта, Рос-
аэронавигации. Военно-космических сил, Главного штаба ВВС и Глав-
ного управления навигации и океанографии Министерства обороны
Российской Федерации была разработана и утверждена «Концеп-
ция создания Российской спутниковой дифференциальной системы
и системы контроля целостности», которая предусматривала создание
широкозонной РДС и СКЦ к 2000 г. Однако серьёзные экономиче-
ские трудности задержали работы по созданию широкозонного функ-
ционального дополнения системы ГЛОНАСС на 7 лет. Разработка
широкозонной РДС началась лишь в 2002 г. в соответствии с Фе-
деральной целевой программой «Глобальная навигационная система»,
утверждённой Постановлением Правительства Российской Федерации
от 20 августа 2001 г. № 587, в рамках опытно-конструкторской рабо-
ты «Разработка технических и программных средств перспективных
технологий коодинатно-временного обеспечения и функциональных
дополнений спутниковых навигационных систем». Выполнение дан-
ных работ было поручено Федеральному государственному унитар-
ному предприятию «Российский научно-исследовательский институт
космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП»), преобразо-
ванному в 2009 г. в ОАО «Российские космические системы».
10.1. Общие сведения
343
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
2013
Февраль 2013. Развёрнута станция в г. Бразилиа (Бразилия)
Ноябрь 2012. Запущен на околоземную орбиту КА «Луч-5Б»
Июль 2012. Лётные испытания СДКМ с КА «Луч-5А»
Декабрь 2011. Запущен на околоземную орбиту КА «Луч-5А» и развёрнута
станция на пункте «Прогресс» РАЭ (PRGS)
Июль 2011. Развёрнута станция в г. Якутск (YKTS)
Июнь 2011. Развёрнута станция в г. Ноябрьск (NOYB)
Апрель 2011. Развёрнуты станции в г. Ловозеро (REVD) и г. Арти (ARTI)
Март 2011. Развёрнута станция в г. Тикси (TIXP)
Февраль 2011. Развёрнута станция в г. Магадан (MAGA)
Январь 2011. Развёрнута станция в г. Владивосток (VLAD)
Декабрь 2010. Развёрнуты станции на пункте «Новолазаревская» РАЭ
(NOVO) ивг. Южно-Сахалинск (YUSA)
Май 2010. Развёрнута станция в г. Билибино (BILP)
Февраль 2010. Развёрнута станция на пункте «Беллинсгаузен» РАЭ (BELI)
Апрель 2009. Утверждены новые требования к СДКМ по точности навига-
ционного обеспечения
Январь 2009. Начата эксплуатация СДКМ с предоставлением услуг
по наземным каналам передачи данных
Январь 2008. Развёрнута станция в п. Светлое (SVET)
Октябрь 2007. Развёрнута станция в г. Геленжик (GELE)
Январь 2007. Начало эксплуатации первой очереди системы мониторинга
Декабрь 2006. Принято решение научно-технического совета Федерально-
го космического агентства о создании СДКМ путём объединения системы
мониторинга и широкозонной дифференциальной системы
Октябрь 2005. Развёрнута станция в г. Иркутск (IRKM)
Сентябрь 2005. Развёрнута станция в г. Петропавловск-Камчатский
(КМСН)
Август 2005. Развёрнута станция в г. Новосибирск (NOVS)
Июль 2005. Развёрнута станция в г. Норильск (NORI)
Май 2005. Развёрнута станция в г. Кисловодск (KSLV)
Апрель 2005. Развёрнуты станции в г. Менделеево (MEND) и г Пулково
(SPTR)
Апрель 2002. ФГУП «РНИИ КП» заключило государственный контракт
на создание широкозонной дифференциальной системы
Апрель 2002. ФГУП «РНИИ КП» заключило государственный контракт
на создание системы мониторинга
Август 2001. Постановлением Правительства Российской Федерации
от 20 августа 2001 г. утверждена федеральная целевая программа «Гло-
бальная навигационная система»
Март 1996. Утверждена «Концепция создания Российской спутниковой
дифференциальной системы и системы контроля целостности»
Рис. 10.1. Хронология работ по созданию СДКМ
344
Работы по созданию СКЦ также начались лишь в 2002 г. в рам-
ках опытно-конструкторской работы «Создание системы мониторинга
целостности глобальных навигационных спутниковых систем» феде-
ральной целевой программы. В период 2002—2006 гг. усилиями спе-
циалистов ФГУП «РНИИ КП» была создана первая очередь системы
мониторинга.
В 2006 г. в целях повышения эффективности обеспечения потреби-
телей ГНСС КИ и ИЦ и интеграции РДС и СКЦ в сообщество меж-
дународных систем SBAS было принято решение о создании СДКМ
на базе объединения сетей станций мониторинга и станций сбора изме-
рений широкозонной РДС, а также центров формирования КИ и ИЦ.
Основной сложностью в процессе создания СДКМ на том этапе было
отсутствие определённости с КА, на который возможно было уста-
новить БРТК СДКМ. В связи с этим основные усилия разработчики
системы сосредоточили на создании наземных каналов передачи дан-
ных СДКМ потребителям. В качестве прототипа была использована
разработанная специалистами Европейского космического агентства
система передачи цифровой информации SBAS по сети Интернет, по-
лучившая название Signal-In-Space through the Internet (SiSnet) [71].
В 2009 г. сервер SiSnet СДКМ начал предоставлять услуги потреби-
телям.
Поворотным моментом в истории создания СДКМ стал 2008 г.,
когда было принято решение об использовании для установки БРТК
СДКМ спутников многофункциональной космической системы ре-
трансляции (МКСР) «Луч». В рекордные сроки специалисты ОАО
«Российские космические системы» и ОАО «Информационные спут-
никовые системы имени академика М. Ф. Решетнёва» решили задачу
разработки, изготовления, испытания и запуска на околоземную ор-
биту КА «Луч-5А» (12 декабря 2011 г.) и КА «Луч-5Б» (3 ноября
2012 г.).
В 2009 г. заказчик системы — Федеральное космическое агентство
(Роскосмос) — повысил требования к точности КИ СДКМ, что по-
требовало развития сети станций сбора измерений в глобальном мас-
штабе. Частичное решение данной задачи стало возможным благодаря
совместным усилиям специалистов Роскосмоса и Российской антарк-
тической экспедиции Росгидромета, которые обеспечили развёрты-
вание трёх станций СДКМ на станциях «Беллинсгаузен» (февраль
2010 г.), «Новолазаревская» (ноябрь 2010 г.) и «Прогресс» (декабрь
2011 г.). В феврале 2013 г. станция СДКМ была развёрнута в Бра-
зилии. Эти четыре станции совместно с измерительными средствами
на территории Российской Федерации обеспечивают возможность на-
блюдения НКА ГНСС на протяжении 95 % времени движения по ор-
бите.
Хронология событий по созданию СДКМ представлена на рис. 10.1,
а детальное описание планов дальнейшего развития системы дано
в разд. 10.3.
10.1. Общие сведения
345
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
10.1.2. Назначение и области применения
СДКМ предназначена для обеспечения всех потребителей, нахо-
дящихся в зоне обслуживания:
• КИ, позволяющей получить точность определения плановых ко-
ординат не менее 1,0 м (по уровню вероятности 0,95) и для высоты
менее 1,5 м (по уровню вероятности 0,95) в реальном времени;
• ИЦ, позволяющей предупредить потребителей о нарушении це-
лостности НВО по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS за время менее
10 с.
Приоритетной задачей СДКМ. является удовлетворение требова-
ний авиационных потребителей, в том числе за счёт совместимости
и взаимодополняемости с действующими и создаваемыми системами
функциональных дополнений космического базирования (см. разд. 8.4).
На СДКМ возлагается решение следующих задач:
• формирование и доведение до потребителей КИ к ЭВИ и па-
раметров модели вертикальной ионосферной задержки, позволяющих
решить задачу навигационных определений с заданными погрешно-
стями;
• доведение за заданное время до потребителей предупреждения
о нарушении целостности навигационного обеспечения по радиосиг-
налам НКА ГНСС в соответствии с требованиями стандартов и реко-
мендуемой практики ICAO (International Civil Aviation Organization)
и MOPS (Minimum Operational Performance Standards) RTCA (Radio
Technical Commission for Aeronautics) DO-229D в зоне обслуживания;
• апостериорное высокоточное определение местоположения по-
требителей с использованием двухчастотных ИТНП и ЭВИ, сформи-
рованной СДКМ;
• выдача пользователям дополнительной справочной информации
о качестве работы НКА ГЛОНАСС и GPS на любой момент времени
в течение последнего года.
Приоритетной зоной обслуживания СДКМ является территория
Российской Федерации, однако радиосигналы и информация СДКМ
могут использоваться в сопредельных государствах.
СДКМ позволяет достичь в реальном времени заданных точност-
ных характеристик НВО при использовании КИ в комплексе со специ-
альными алгоритмами обработки, реализованными в АП, работающей
по радиосигналами НКА ГЛОНАСС и GPS.
В реальном времени СДКМ предоставляет следующую навигаци-
онную информацию:
• глобальную КИ (поправки к эфемеридам и ЧВП) для НКА
ГЛОНАСС и GPS, находящихся в зоне видимости сети сбора измере-
ний. Корректирующая информация доставляется любому пользовате-
лю в широковещательном режиме по спутниковому каналу в диапазоне
Ы (в перспективе дополнительно в диапазонах L3/L5) и по каналам
связи наземного базирования — по Интернету через удалённое соеди-
нение с сервером системы;
346
• информацию о целостности, сформированную на основе данных
оперативного мониторинга качества радионавигационного поля НКА
ГЛОНАСС и GPS. Доставка ИЦ также осуществляется по спутни-
ковому каналу в диапазоне L1 и через web-сервер СДКМ., а также
при помощи адресной рассылки по электронной почте зарегистриро-
ванным потребителям.
Дополнительно СДКМ для апостериорной обработки предостав-
ляет потребителям следующую информацию на ftp-сервере:
• широкозонную КИ для НКА ГЛОНАСС и GPS;
• уточнённые эфемериды и ЧВП;
• данные измерений в формате RINEX со станций сети сбора из-
мерений сдкм.
Активное развитие авиации общего назначения для решения задач
картографирования местности, посадки на необорудованные аэродро-
мы, проведения сельскохозяйственных работ и др. требует скорей-
шего внедрения услуг СДКМ. Кроме того, в последние годы растет
парк частной авиации, которая в основном состоит из легкомоторных
самолетов, а также количество беспилотных летательных аппаратов
различной ведомственной принадлежности.
Помимо использования СДКМ для решения задач авиационных
потребителей ее услуги востребованы на автомобильном, железнодо-
рожном и водном видах транспорта. Высокая точность и целостность
навигации позволяет активно развивать транспортные коридоры, свя-
зывающие север и юг, западные и восточные регионы Российской
Федерации.
Особое внимание при рассмотрении вопросов развития СДКМ
уделяется расширению зоны действия системы в высоких широтах.
Активное освоение Арктического шельфа и повышение грузопото-
ка по Северному морскому пути требуют расширения зоны действия
СДКМ на широтах выше 70° с. ш. Одним из ограничений в решении
данной задачи является использование КА на ГСО, радиовидимость
которых в высоких широтах ограничена. Одним из возможных путей
развития каналов доставки КИ и ИЦ являются КА на наклонных гео-
синхронных околокруговых орбитах, которые помимо предоставления
услуг навигации позволят обеспечить связь в данном регионе.
Кроме предоставления услуг потребителям ГЛОНАСС и GPS
в среднесрочной перспективе СДКМ должна обеспечить КИ и ИЦ
для НКА Beidou и Galileo, что значительно повысит целостность на-
вигационного обеспечения.
10.1. Общие сведения
10.2. Принципы построения
и функционирования
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
10.2.1. Архитектура
СДКМ является сложной системой, имеющей высокую степень
надёжности элементов и включающей 30 составных частей, располо-
женных на 25 объектах на территории Российской Федерации и за ру-
бежом. Система построена по иерархическому принципу и включает
четыре основных комплекса:
• сбора измерений (КСИ), состоящего из сети пунктов сбора ИТНП;
• обработки данных;
• доставки информации потребителю (в составе бортовых ретранс-
ляторов на КА с ГСО и сети пунктов закладки);
• средства контроля (КК) информации СДКМ.
Основные элементы СДКМ можно разделить на три сегмента —
космический, наземный и потребительский (рис. 10.2). Наземный сег-
мент СДКМ решает основные задачи СДКМ, такие, как сбор изме-
рений текущих ИТНП в реальном времени, формирование КИ и ИЦ
для радиосигналов НКА ГЛОНАСС и GPS, доставка потребителю
информации СДКМ посредством наземных каналов передачи данных,
а также апостериорный анализ характеристик СДКМ и мониторинг
качества вырабатываемой информации.
Космический сегмент СДКМ выполняет функции ретрансляции
КИ и ИЦ СДКМ с помощью сигнала, аналогичного навигационному,
в диапазоне L1 (на частоте 1 575,42 МГц).
Сегмент аппаратуры потребителя включает образцы аппаратуры
потребителя ГЛОНАСС/СРБ/СДКМ, предназначенные для проведе-
348
Рис. 10.2. Архитектура СДКМ:
о — станции сбора измерений; — станции закладки; 0 — центры дифференциальной
коррекции и мониторинга
ния сертификации СДКМ по требованиям различных категорий потре-
бителей (авиационные, геодезические, морские и т. д.).
Для отработки перспективных технологий в состав СДКМ также
входят региональные и локальные полигоны по отработке перспек-
тивных технологий координатно-временного и навигационного обес-
печения.
Принцип работы СДКМ заключается в получении на основе сфор-
мированных ССИ ИТНП и навигационной информации открытых ра-
диосигналов НКА ГЛОНАСС и GPS в диапазонах L1 и А2 опера-
тивной и апостериорной оценок ЭВИ и карты величин вертикальных
ионосферных задержек. Полученные данные используются для фор-
мирования КИ и оценки целостности НВО. Из центра СДКМ КИ
и ИЦ доставляются потребителю посредством КА ГСО и интернет-
сервера в виде набора стандартизованных сообщений. Средства ком-
плекса контроля СДКМ производят оценку качества применения КИ
и ИЦ, замыкая, таким образом, цепь обратной связи центра со сред-
ствами доставки.
10.2. Принципы построения и функционирования
10.2.2. Комплекс сбора измерений
Входящая в КСИ сеть пунктов сбора измерений СДКМ — основной
источник данных для выработки КИ и ИЦ. Главными критериями при
выборе мест географического расположения пунктов являлись:
349
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
• обеспечение глобальной, непрерывной видимости НКА ГЛОНАСС
и GPS для формирования ИЦ;
• обеспечение одновременного формирования ИТНП по каждому
НКА ГЛОНАСС и GPS для формирования КИ к ЭВИ;
• обеспечение достаточной плотности размещения пунктов для
формирования оценок вертикальной ионосферной задержки в узлах
ионосферной сетки в зоне приоритетного обслуживания СДКМ — тер-
ритории Российской Федерации;
• наличие в предполагаемом месте размещения пункта развитой
инфраструктуры широкополосной передачи данных.
Полная сеть станций СДКМ для предоставления услуг SAS будет
включать 46 станций на территории Российской Федерации (рис. 10.3)
и 8 станций в странах ближнего зарубежья.
Хатанга
Тикси
^льгинский
Ноябрьск
IV
а гада н^
'А^ргёйгельск
Сыктывкар
Билибино
Анадырь
Я.
к^ХгШВ0 Ар™
? .я Москва ж
МенделеевЪ
▲ 1 АСаратов
урс
Вострв-т'на-Дону
А. Кисловбдс
^\Jr")''%e.o lepo О
- ^Благовещенск
• Чита U 3
Норильск
У —^Ajypa
Нижневартовск ~
Новосибирск 5ра f
Красноярск
Владивосток
140е
- 80е
А
Палана
. ?1етрдпавлов( к-
' Камчатский -
1мсомольск-на- \муре
Д Южно-Сахалинск
160°
180°
Рис. 10.3. Сеть станций сбора измерений СДКМ на территории Российской
Федерации. Одновременное слежение за КА с нескольких станций:
а — существующие станции: а — планируемые станции
К 2013 г. была создана сеть из 19 ССИ в Российской Федерации
и 4 за рубежом (табл. 10.1).
В состав пункта сбора измерений (рис. 10.4) входит станция сбора
ИТНП (ССИ) и аппаратура подсистемы информационного взаимодей-
ствия (ПИВ) СДКМ, обеспечивающая доставку формируемой ССИ
информации в центр. Станция сбора информации СДКМ (рис. 10.5)
включает приёмники навигационных радиосигналов НКА ГЛОНАСС
и GPS, активную антенну типа choke-ring с устройством защиты
от приёма отражённых от подстилающей поверхности сигналов, уст-
ройство приёма и отображения информации (УПОИ), переключатель
для подключения устройств ручного управления ССИ (клавиатура,
манипулятор типа «мышь» и монитор), стандарт частоты и времени,
метеостанцию, устройства управления и обеспечения бесперебойно-
го электропитания, устройства преобразования интерфейсов RS-232
350
Таблица 10.1
Пункты сбора измерений СДКМ
Населённый пункт Идентификатор Плановые координаты Высота, м
Антарктида, «Беллинсгаузен» BELI 62,199° ю. ш. 58,965° з.д. 50,441
Антарктида, «Ново- лазаревская» NOVL 70,776° ю. ш. 11,833° в.д. 142,531
Антарктида, «Прогресс» PRGS 69,382° ю. ш. 76,384° в.д. 76,684
Арти ARTI 56,430° с. ш. 58,560° в.д. 248,012
Билибино BILP 68,65° с. ш. 166,453° в.д. 315,990
Бразилиа BRAP 15,773° ю.ш. 47,866° з.д. 1039,715
Владивосток VLAD 43,360° с. ш. 132,196° в.д. 90,449
Геленджик GELE 44,575° с. ш. 37,976° в.д. 47,307
Иркутск IRKM 52,219° с.ш. 104,316° в.д. 505,252
Кисловодск KSLV 43,917° с.ш. 42,724° в.д. 835,285
Магадан MAGA 59,577° с. ш. 150,810° в.д. 73,759
Менделеево MEND 56,21° с. ш. 37,215° в.д. 257,782
Москва RNII 55,746° с. ш. 37,723° в.д. 196,382
Новосибирск NOVS 55,31° с.ш. 82,910° в.д. 149,454
Норильск NORI 69,362° с. ш. 88,360° в.д. 48,224
Ноябрьск NOYB 63,186° с.ш. 75,449° в.д. 108,725
Петропавловск- Камчатский KMCH 53,67° с. ш. 158,607° в.д. 210,946
Пулково SPTR 59,773° с. ш. 30,322° в.д. 95,021
Ловозеро REVD 67,891° с.ш. 34,616° в.д. 464,154
Светлое SVET 60,533° с.ш. 29,781° в.д. 76,781
10.2. Принципы построения и функционирования
351
Окончание табл. 10.1
Населённый пункт Идентификатор Плановые координаты Высота, м
Тикси TIXP 71,634° с.ш. 128,866° в.д. 46.622
Южно- Сахалинск YUSA 47,30° с. ш. 142,717° в.д. 91,631
Якутск YKTS 62,31° с.ш. 129,681° в.д. 100,387
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
(RS 422/485) в интерфейс TCP/IP, средства зашиты информации
от несанкционированного искажения Checkpoint.
Рис. 10.4. Пункт сбора измерений «Прогресс»
Создание пунктов СДКМ потребовало значительных усилий, по-
скольку в приведённых в табл. 10.1 местах расположения необходимо
было обеспечить размещение оборудования пунктов с учётом ряда до-
полнительных требований, наиболее значимыми из которых являются
следующие:
• отсутствие ограничений на публикацию координат точки распо-
ложения приёмной антенны;
• в помещении, в котором устанавливается аппаратура, должна
поддерживаться температура 20...22°C;
• внутренняя площадь помещения должна быть не менее 20 м2;
• в помещении должен быть обеспечен доступ к сети передачи
данных.
Поскольку выполнить указанные требования, в первую очередь
по стабильности температурного режима работы аппаратуры, не все-
гда было возможно, в состав станции включено устройство поддер-
жания микроклимата, которое позволяет устанавливать оборудова-
ние ССИ в помещениях, где температура может изменяться от +5
до +40 °C.
352
Рис. 10.5. Станция сбора измерений СДКМ:
УПОИ— устройство предварительной обработки информации; ИБП —источник бесперебойного питания
10.2. Принципы построения и функционирования
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
Главными характеристиками антенн для высокоточного примене-
ния являются стабильность фазового центра и способность подавлять
сигналы, переотражённые подстилающей поверхностью и близко рас-
положенными предметами (многолучёвость), поэтому, как уже было
сказано, используются антенны с низким уровнем боковых лепестков
типа choke-ring. Антенны выполняются в герметичном пылевлагоне-
проницаемом корпусе.
Зависимость коэффициента усиления антенны ГЛОНАСС/GPS
от угла возвышения НКА над горизонтом представлена на рис. 10.6.
Рис. 10.6. Зависимость коэффициента усиления антенны
ГЛОНАСС/GPS от угла возвышения НКА над горизонтом
Антенна, выполненная в герметичном, пылевлагонепроницаемом
корпусе, совместно с метеодатчиком может устанавливаться на кры-
шах капитальных (каменных и т. п.) строений либо на участках земной
поверхности, не подверженных колебаниям уровня почвы. Антенна
монтируется на фундаменте («монументе» в виде колонны из кирпича
или бетона высотой не ниже 1 500 мм, сечением не менее 500 х 500 мм
(рис. 10.7)).
На большинстве пунктов СДКМ указанные требования удалось
выполнить без особых трудностей, даже несмотря на то, что часть
из них находится в северных широтах. Однако в ряде случае, например
на пунктах в Антарктиде, где время строительных работ ограничено,
монумент для крепления антенны выполнен в виде металлической мач-
ты соответствующей высоты (см. рис. 10.4).
Станция сбора информации проектировалась как универсальный
беззапросный измеритель текущих навигационных параметров радио-
сигналов НКА ГЛОНАСС и GPS в диапазонах Li, L2 и L3 с воз-
можностью расширения функциональных характеристик в части при-
ёма новых радиосигналов, в том числе от Galileo и Compass. При-
ёмное устройство станции является 216-канальным многочастотным
приёмником радиосигналов, который обеспечивает измерение псевдо-
дальности с аппаратурной погрешностью 0,3 м (СКП) по огибающей
навигационного радиосигнала и 0,002 м (СКП) по фазе несущих коле-
баний. Функционально в структуре станции можно выделить несколь-
ко приёмных комплектов аппаратуры. Каждый приёмный комплект
состоит из соединённых между собой антенны, приёмного устройст-
354
Рис. 10.7. Монумент для установки антенны ССИ
СДКМ
аа и усилителя-распределителя опорного сигнала. При этом опорный
.игнал может подаваться как от входящего в состав станции генера-
* ра опорного сигнала, так и от внешнего ОГ. Например, на ССИ,
установленной на территории ФГУП ВНИИФТРИ (г. Менделееве)
в качестве опорного используется сигнал государственного эталона
времени и частоты. Наличие в составе станции нескольких приём-
ных комплектов позволяет обеспечить высокие показатели наработки
на отказ и коэффициента готовности оборудования, а также высокую
достоверность результатов измерений (достоверность обеспечивается
путём совместной обработки и сравнения результатов измерений, по-
лученных разными комплектами). Основной особенностью приёмного
устройства станции по сравнению с типовыми приёмниками навига-
ционных сигналов того же класса точности является наличие функ-
ции контроля качества гражданских навигационных сигналов НКА
ГЛОНАСС и GPS (Signal Quality Monitoring), согласно требованиям
Международных стандартов и рекомендуемой практики [72].
Информационный обмен между составными частями ССИ осу-
ществляется через внутреннюю локальную сеть Ethernet, функциони-
рование которой обеспечивает сетевой маршрутизатор. Архитектурно
станция представляет собой высокоскоростной кольцевой канал пере-
дачи данных, к которому подключены все ключевые модули, включая
приёмные устройства, устройства обработки и передачи информации
(рис. 10.8).
10.2. Принципы построения и функционирования
355
Основной
тракт
Неисправность
Рис. 10.8. Кольцевой канал передачи данных в ССИ
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
Кольцевая топология канала передачи данных обеспечивает полно-
ценную возможность информационного обмена между всеми подклю-
чёнными модулями даже в случае выхода из строя одного из каналооб-
разующих устройств, а наличие такой общей среды информационного
обмена позволяет повысить надёжность станции за счёт функциональ-
ного объединения исправных модулей практически в любых сочета-
ниях.
Через сетевой маршрутизатор также осуществляется передача
в центр ИТНП, ЭВИ и других параметров навигационных радио-
сигналов НКА, телеметрии о работе составных частей ССИ, а также
приём команд из центра. Подобная архитектура позволяет, с одной
стороны, легко наращивать и масштабировать всю сеть сбора данных
СДКМ, а с другой стороны, используя разработанное программное
обеспечение уровня операционной системы, легко контролировать ра-
боту каждого из устройств ССИ, объединённых в локальную сеть.
Благодаря модульной конструкции маршрутизаторов очень просто
(установкой необходимого модуля) обеспечить подключение станции
к различным видам сетей передачи данных, доступных в месте её уста-
новки.
В качестве источников опорного сигнала в станциях первоначально
использовались пассивные водородные стандарты времени и частоты,
которые в настоящее время заменяются на высокостабильные руби-
диевые генераторы, отличающиеся существенно меньшими энергопо-
треблением и массогабаритными характеристиками.
Для обеспечения бесперебойной работы оборудования в случае
пропадания внешнего электропитания в состав станции входит ис-
точник бесперебойного питания. Помимо этого, станция может осна-
щаться переключателем нагрузки, что позволяет при необходимости
осуществить питание станции от двух внешних независимых линий
электропитания.
356
10.2.3. Комплекс обработки данных
К Л’плекс обработки данных (КОД) предназначен для выполнения
I - дий выработки КИ и ИЦ, которые реализуются в главном цен-
дифференциальной коррекции и мониторинга (ЦДКМ) (рис. 10.9).
мере развития орбитальной группировки КА МКСР «Луч» КОД
' дет расширяться за счёт создания региональных центров.
В ЦДКМ решаются следующие задачи:
• т -чнение и прогнозирование ЭВИ НКА ГНСС, находящихся
! видимости средств СДКМ;
• формирование карты вертикальных ионосферных задержек в уз-
ш сетки, расположенных с шагом 5° по широте и долготе, начиная
: 15 в.д. и 40° с.ш. до 170° з.д. и 80° с. ш., причём для широт выше
. шаг сетки составляет 10°;
• : рмирование потока КИ и ИЦ в формате SBAS;
• контроль качества КИ и управления СДКМ в случае выхода
•я его составных частей.
скольку ИЦ должна формироваться в реальном времени, а КИ
• чает быстроменяющиеся и медленноменяющиеся поправки, опе-
Г^тйвные и неоперативные данные поступают от КСИ в программные
тексы формирования КИ и ЦИ, а также накапливаются на ло-
Ш - н м ftp-сервере и в базе данных измерений ЦДКМ. Данные на ftp-
вереере используются потребителем для апостериорной обработки,
данных — для решения задач подготовки исходных данных для
^.‘;\ования медленноменяющихся поправок и карты вертикальных
• - сферных задержек в соответствующих программных комплексах
_ - М.
елленноменяющиеся поправки формируются по результатам апо-
трной обработки измерений в комплексах уточнения ЭВИ и фор-
:ззния карты ионосферных задержек.
Комплекс уточнения ЭВИ выполняет обработку суточного интер-
измерений по всей сети ССИ. В результате оцениваются парамет-
рит НКА ГЛОНАСС, GPS и значения тропосферных искажений
аждой станции. Учитывая особенности функционирования СДКМ,
т ункционирования алгоритмов выработки КИ и ИЦ в реальном
фемени производится прогноз орбит НКА на интервал 8 ч. Про-
с с ~?огнозирования ЭВИ полностью автоматизирован и реализуется
а двух параллельных контурах, использующих одинаковое програм-
еспечение.
В ЦДКМ в процессе уточнения ЭВИ определяются параметры мо-
движения спутника (начальные координаты и параметры вектора
ли, коэффициенты солнечного давления и модели геопотенци-
Земли и т.д.). Оценка параметров осуществляется путём реше-
- !С емы линеаризованных уравнений их связи с ИТНП методом
-2.Именьших квадратов. При этом для получения высокой точности
. . :,зуются интервалы наблюдения ИТНП в течении нескольких су-
Алгоритм уточнения ЭВИ [73] основан на методах орбитальной
10.2. Принципы построения и функционирования
357
.4
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
КСИ
ИТНП
цдкм
Комплекс
контроля
Вспомогательная
информация
ИТНП
с комплекса
контроля
Формирование КИ и ИЦ
)S
§ д § д
О О
clK clK
ж - ’ 2 ®
S
д^
Результаты
контроля 1
aUDREb
aGIVEl
КИиИЦ
Результаты
контроля 2
naUDRE2’
gGIVE2
SBAS
кди
Формирование
сообщений SBAS
Д й
Д vo
2 Д
*8 °
о VO
О °
Апостериорное
уточнение ЭВИ
Формирование карты
ионосферных задержек
О
д
s о
» к
д
S
га
S
3
§
д
о 2
X
ж
га Й Д
Д' 2 А
о 2 х
о Д о
о s
База данных
измерений
Локальный
ftp-сервер
Межчастотные
задержки
Карта
ионосферных
задержек
Метеорологические
измерения
ИТНП,
записанные в файлы
Рис. 10.9. Центр дифференциальной коррекции и мониторинга
механики (физики орбитального движения) и теории фильтрации (для
получения устойчивого и точного решения по серии редких и зашум-
ённых измерений).
Основополагающее интегральное уравнение для определения век-
тора состояния возмущённого движения НКА в произвольный момент
емени t имеет вид
Х(/) = [%(/), //(/), z(/), Vx(t), Vy(t), Vz(t)J
и следует из второго закона Ньютона [42]
t
X(t)=X(t0) + J Ddt, (10.1)
4)
где X(/q) — начальные значения вектора состояния НКА в момент вре-
мени to\ D— [Vx, Vy, Vz,F/m\ — обобщённая функция возмущающих
движения факторов; F — вектор сил, возмущающих движение НКА.
Начальные условия для получения решения уравнения (10.1) имеют
следующий вид:
=D,
dt (10.2)
|Х(/о)=ХО.
В случае, когда известны начальные условия, параметры орби-
ты НКА могут быть определены на любой момент времени. Поэтому
основная задача программного комплекса апостериорного уточнения
ЭВИ состоит в определении начальных значений за счёт интервальной
обработки массива ИТНП Y посредством решения дифференциально-
го уравнения второго порядка в частных производных методом Рунге —
Кутта [42].
Определённые таким образом значения вектора состояния
Хп(/о + «ДО для различных моментов времени с шагом Д/ исполь-
зуют на этапе формирования КИ для получения прогнозных значений
эфемерид НКА с помощью уравнения (10.1). Полученные значе-
ния эфемерид необходимы для апостериорной оценки ЧВП, которые
определяют как остаточные невязки ИТНП и их оценок, полученных
с использованием апостериорных эфемерид.
Проведённые исследования [74] показывают, что за последние
10 лет изменение плановых координат приёмных антенн в глобальном
масштабе варьируется от 10 м на территории Российской Федерации
до 50 м в Австралии. Поэтому периодическое уточнение координат
ССИ СДКМ является необходимым условием сохранения точности
оценки ЭВИ на требуемом уровне. Сформированная на предыду-
щих этапах апостериорная оценка ЭВИ позволяет решить задачу
уточнения координат ССИ СДКМ, которая с учётом вычислитель-
ной мощности средств ЦДКМ может выполняться в каждом цикле
апостериорной оценки ЭВИ.
10.2. Принципы построения и функционирования
359
Быстроменяющиеся поправки в КИ позволяют потребителю опе-
ративно компенсировать уход БШВ НКА относительно значений, по-
лучаемых с помощью ЧВП, передаваемых в составе НИ радиосиг-
налов НКА. Поправки к ЧВП БШВ НКА определяются с помощью
модели ИТНП (6.4):
Л'
бТвшв = Xi -------------Т------~ ~ 6/бшВ — §тионг — 6ттроп i
i=l L
(10.3)
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
где N — количество ИТНП по соответствующему НКА, сформирован-
ных сетью ССИ.
Таким образом, быстроменяющиеся поправки к ЧВП позволяют
уменьшить погрешности эфемеридного обеспечения, которые не ком-
пенсированы медленноменяющимися поправками.
Построение карты вертикальных ионосферных задержек в зоне
обслуживания СДКМ осуществляется с использованием модели од-
нослойной идеализации, для которой принимается, что все электроны
сосредоточены в оболочке незначительной толщины на высоте около
350 км от Земли. Поскольку все станции сети ССИ сопровождают
сигналы всех видимых НКА с различных направлений и под раз-
ными углами места, то по результатам двухчастотных ИТНП может
быть сформирован массив значений вертикальной ионосферной за-
держки для множества точек прокола идеализированного слоя ионо-
сферы (рис. 10.10). Для определения величины вертикальной ионо-
сферной задержки в каждом узле ионосферной сетки используется
процедура интерполяции значений задержки из точек прокола, по-
падающих в четыре соты ионосферной сетки, включающих искомый
узел. Поскольку зона обслуживания покрывается сетью с шагом 5
и 10°, то процедура формирования массива измерений регламенти-
руется [40] и допускает возможность интерполяции значений только
в случае наличия точек прокола не менее чем в трёх сотах из четырёх.
Результаты прогноза уточнённых ЭВИ и карта вертикальных ионо-
сферных задержек записываются в базу данных и используются
в дальнейшем для формирования КИ и ИЦ, а также для предостав-
ления апостериорных услуг.
ИЦ формируется по результатам мониторинга характеристик
ГЛОНАСС и GPS с целью выявления ситуаций нештатного функци-
онирования системы и своевременного информирования о них потре-
бителя. Мониторинг и оценка параметров радионавигационных полей
ГЛОНАСС и GPS проводятся в два этапа:
1) проверка эфемерид;
2) проверка погрешности ИТНП, обусловленных космическим
комплексом.
Проверка бортовых эфемерид НКА ГЛОНАСС осуществляется
в реальном времени или путём апостериорной обработки сравнением
координат каждого НКА, рассчитанных с использованием бортовых
360
Рис. 10.10. Принципы построения карты вертикальных ионосферных задержек:
/ — НКА; 2 — ССИ; 3 — подыоносферная точка для радиолинии ССИ — НКА; Р — искомая
узловая точка ионосферной сетки
эфемерид, с опорными эфемеридами, полученными на основе прогно-
за уточнённых эфемерид, определённых в ЦДКМ.
В качестве тестовых статистик используются величины погреш-
ностей определения координат НКА по радиусу 5Г, вдоль орбиты 5/
и по бинормали а также эквивалентная погрешность измерения
псевдодальности по уровню вероятности 0,95:
o6/?=7^+0’02()4(s'+б«)- (10-4)
Кроме того, оцениваются статистические характеристики (матема-
тическое ожидание Mi, среднеквадратическое отклонение о,, медиа-
на т, ) погрешности вектора бортовых эфемерид по каждой координате
на исследуемом временном интервале (/i,...,
10.2. Принципы построения и функционирования
(105*
/=1
О; =
т.
= 1
(10.6)
(Ю.7)
где i — параметр вектора эфемерид; N — количество отсчётов на ин-
тервале времени.
361
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
Полученные тестовые статистики сравниваются с априорно задан-
ными пороговыми значениями, которые определяются требованиями
потребителей [40].
Оценка погрешности ИТНП НКА за счёт космического комплекса
осуществляется на основе моделей ИТНП (6.4) и (6.5), формируемых
ССИ СДКМ.
Поскольку первичные измерения псевдодальности осуществляют-
ся с помощью специализированных аппаратно-программных средств
ССИ СДКМ, обеспечивающих аппаратурную погрешность измерения
псевдодальности на уровне 0,1 м (СКО) при обработке на интервале
30 с, то компенсация погрешностей измерения, обусловленных ионо-
сферной и тропосферной рефракцией, позволяет оценить погрешность
измерения псевдодальности за счёт космического комплекса с помо-
щью следующего выражения:
бкк = 6/? + сбТвшв % 5 — R — с(6/швп — 5тион — бттроп). (10.8)
Ионосферная задержка 6тион определяется по формулам (6.9)
и (6.10), а тропосферная задержка 6ттроп — в соответствии с мето-
дикой, детально описанной в работе [42].
Значение 6/швп рассчитывается для каждой ССИ СДКМ как один
из элементов параметров вектора состояния в соответствии с (5.6).
Полученные оценки 5/швп, 8тион и 8ттроп позволяют с помощью вы-
ражения (10.8) оценить величину погрешности измерения псевдодаль-
ности за счёт космического комплекса 5кк для каждой ССИ СДКМ.
Аналогично процедуре проверки эфемерид (10.5)—(10.7) на заклю-
чительном этапе необходимо определить параметры выборки оценок
погрешности псевдодальности по всей сети ССИ СДКМ для каждо-
го НКА:
1 м
Мкк = ду Xj Skk/; (10.9)
/=i
°кк = ^ м Мкк) , /=1 (10.10)
ткк = = median |5кк/-Мкк|, (10.11)
где М — общее количество ИТНП по данному НКА по всем ССИ
СДКМ.
Обобщая сказанное выше, всю процедуру формирования КИ и ИЦ,
осуществляемую в реальном времени путём обработки потока ИТНП
и служебной информации с использованием данных из базы данных
(рис. 10.11), можно описать следующим образом. В ходе предвари-
тельной обработки ИТНП проходят процедуру исключения система-
тических ошибок (межлитерных задержек для радиосигналов НКА
ГЛОНАСС с частотным разделением), обнаружения и устранения
362
Рис. 10.11. Структура алгоритмов выработки КИ и ИЦ
10.2. Принципы построения и функционирования
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
скачков измерений псевдофазы вследствие сбоев в работе схем ФАПЧ
приёмных устройств ССИ, сглаживания измерений псевдодальности
приращениями измерений псевдофазы. Подготовленные измерения
поступают для оценки быстрых поправок к ЭВИ НКА ГЛОНАСС
и GPS, а также для предварительной оценки величин ogivei и oudrei
на основе значений с?кк и [40]. Последние, как отмечалось выше,
позволяют сформировать ИЦ на основе количественной оценки вели-
чины СКП измерения псевдодальности до НКА за счёт космического
комплекса после применения быстрых и долговременных поправок,
а также исключения атмосферных эффектов и аппаратурных погреш-
ностей ССИ СДКМ в предположении, что измерения подчиняются
нормальному закону распределения.
Полученные оценки параметров ogivei и oudrei подвергаются до-
полнительной проверке с помощью ИТНП средств КК, в ходе которой
определяются окончательные значения параметров ogive2 и oudre2
и принимается решение о соответствии текущих значений КИ и ИЦ
требованиям к качеству навигационного обеспечения.
Быстроменяющиеся и медленноменяющиеся поправки, а также ре-
зультаты контроля поправок поступают в комплекс формирования
сообщений SBAS. Учитывая то, что сообщения SBAS имеют длину
250 бит, одно сообщение передаётся 1 с, а КИ и ИЦ СДКМ вклю-
чает большой объём данных по более чем 56 НКА и данные карты
ионосферных задержек, комплекс формирования сообщений SBAS
подготавливает очередь сообщений, руководствуясь следующими пра-
вилами:
• сообщения КИ и ИЦ формируются для ограниченного числа
НКА (не более 51);
• период повторения всей цепочки сообщений СДКМ составляет
264 с, поэтому очерёдность сообщений может изменяться в зависимо-
сти от времени их старения в соответствии с требованиями к перио-
дичности обновления соответствующего сообщения (табл. 10.2);
• сообщение с ИЦ имеет наивысший приоритет и должно быть
передано в любой момент времени вне очереди.
Для обеспечения непрерывности навигационного обеспечения
в случае срыва слежения за радиосигналом СДКМ потребителем, ко-
торый приводит к пропуску сообщения, в составе сообщений типов 7
и 10 передаются параметры деградации. Данные параметры исполь-
зуются для определения величин остаточных погрешностей ogivei
и oudrei при использовании долговременных и кратковременных по-
правок, возникающих при использовании старых, но действующих
данных.
Все сообщения НИ СДКМ передаются блоками по 250 двоичных
символов (бит): преамбула —8 бит, идентификатор типа сообщения —
6 бит, поле данных — 212 бит, проверочные символы — 24 бита цикли-
ческого избыточного кода для обнаружения ошибок в блоке НИ, как
показано на рис. 10.12.
364
Таблица 10.2
Типы передаваемых сообщений СДКМ
Тип сообщения Содержание
0 «ЦИ с данного КА не использовать» (введено для ре- жима тестирования СДКМ)
1 Список спутников, для которых передаётся НИ
2—5 Быстрые поправки
6 Данные о целостности ГНСС
7 Параметры деградации быстрых поправок
8 Не занято
9 Навигационное сообщение для данного КА СДКМ
10 Параметры деградации (быстроменяющихся и медлено- меняющихся поправок, задержек в ионосфере)
11 Не занято
12 Параметры сдвига «сетевое время СДКМ/UTC»
13-16 Не занято
17 Альманах спутников СДКМ
18 Точечно-сеточная маска ионосферы
19-23 Не занято
24 Смешанные быстроменяющиеся/медленноменяющиеся поправки
25 Медленноменяющиеся поправки
26 Поправки к задержкам в ионосфере
27 Служебное сообщение СДКМ
28 Параметры ковариационной матрицы эфемеридно-вре- менных параметров
29-61 Не занято
62 Зарезервировано
63 Нулевое сообщение
10.2. Принципы построения и функционирования
Преамбула в каждом блоке состоит из восьми бит. В трёх по-
следовательных блоках ЦИ поочерёдно используются три преамбулы:
01010011, 10011010, 11000110.
Идентификатор типа сообщения содержит 6 бит и определяет
64 типа сообщения (0...63), как показано в табл. 10.3. Идентифи-
катор типа сообщения передаётся старшими разрядами вперёд.
Сообщение 0 — нулевой тип сообщения, передаётся только при те-
стировании системы СДКМ. либо при тестировании нового КА СДКМ.
Пользователю нельзя использовать сигнал от данного КА.
Сообщение 1 содержит маску с информацией о НКА ГЛОНАСС
и GPS, для которых передаётся корректирующая информация и дан-
365
____Направление передаваемой информации со спутника;
значимый бит передаётся первым
250 бит — ] с
Поле данных (212 бит)
— Идентификатор сообщения (6 бит)
--- Заголовок (8 бит)
Контрольная
сумма
(24 бита)
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
Рис. 10.12. Структура блока навигационной информации СДКМ
Таблица 10.3
Временные интервалы обновления НИ
Данные Тип со- общения Максимальный интервал обновления данных, с Время старения данных, с
Тестирование 0 6 —
Список спутников 1 60 —
Быстроменяющиеся поправки 2-5, 24 60 18
Медленноменяю- щиеся поправки 24, 25 120 360
НИ КА СДКМ 9 120 360
Изменение параметров 7,10 120 360
Ионосферная маска 18 300 —
Ионосферная коррекция 26 300 600
UTC-данные 12 300 —
Альманах 17 300 —
ные о целостности. Первое сообщение состоит из следующих друг
за другом 210-битных слотов.
Сообщения 2—5 содержат информацию о быстрых поправках,
которые должны использоваться для коррекции измеренных псев-
додальностей до НКА. Данные поправки позволяют компенсировать
быстроизменяющиеся погрешности в измерениях псевдодальностей
до НКА, обусловленные неточностью прогнозирования ЧВП радио-
сигналов НКА. Помимо корректирующих поправок СДКМ сообщения
2—5 содержат данные о погрешности измерения псевдодальностей
до НКА за счёт космического сегмента, что позволяет потребителю
синхронизировать погрешность навигационных определений. Сообще-
ние 2 передаёт данные для первых 13 НКА, указанных в сообщении 0,
сообщение 3 —для НКА 14—26, сообщение 4 —для НКА 27—39, со-
общение 5 —для НКА 40—51.
366
Сообщение 6 содержит информацию о погрешностях измерения
псевдодальности до НКА за счёт космического комплекса. Кроме это-
го в сообщение 6 включены данные, позволяющие определить целост-
ность всех данных. В частности, если становится доступным новый
НКА, то это отражается в сообщении 6.
Сообщение 7 содержит данные о времени старения быстрых по-
правок и фактор изменения величины быстрых и долговременных по-
правок.
Сообщение 9 содержит информацию о состоянии геостационарных
КА СДКМ.
Сообщение 10 передаёт ряд вспомогательных данных, используе-
мых для прогнозирования погрешности навигационных определений.
Сообщение 12 содержит данные о величине расхождения между
ШВС ГЛОНАСС и GPS.
Сообщение 17 содержит альманах трёх геостационарных КА СДКМ.
В альманахе содержатся данные о статусе и состоянии спутника,
а также идентификационный номер сервис-провайдера, осуществля-
ющего закладку данных на борт геостационарного КА.
Сообщения 24—25 передают данные для компенсации медленно из-
меняющихся погрешностей ЭВИ НКА. Сообщение 24 также содержит
данные о быстрых поправках.
Сообщения 18 и 26 позволяют вычислить значение ионосферной
задержки распространения радиосигналов НКА (на частоте А1) и её
точность.
Сообщение 27 сервисное, содержит данные о значениях погреш-
ностей измерений псевдо дальностей до НКА за счёт космического
комплекса для определённого района, который задаётся координата-
ми граничных точек. Это даёт возможность потребителю более точно
определять качество навигационного обслуживания, т. е. степень до-
стоверности определения своих координат. Сообщение 27 может со-
держать информацию об интегральном качестве всей системы СДКМ.
Сообщение 28 содержит данные о ковариационной матрице ЭВИ.
Использование данных сообщения 28 позволяет повысить доступ-
ность в районе обслуживания и целостность вне района обслуживания
СДКМ.
Сообщение 62 используется для тестирования некоторых компо-
нент системы СДКМ, и пользователь его не обрабатывает.
Сообщение 63 передаётся в том случае, если нет других сообщений;
пользователь его также игнорирует.
10.2. Принципы построения и функционирования
10.2.4. Комплекс доставки информации СДКМ
Доставку сформированной центром информации СДКМ потре-
бителям осуществляют средства комплекса доставки информации,
которые используют космические каналы на базе бортовых ретранс-
ляторов (БРТР) МКСР «Луч» и наземные средства по технологии
367
SiSnet (Signal-in-Space through Internet) [71]. Параметры МКСР
«Луч» приведены в табл. 10.4, а зоны обслуживания — на рис. 10.13.
Таблица 10.4
Параметры МКСР «Луч»
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
КА Дата запуска Срок активного существования Точка стояния Номер дальномер- ной ПСП
Луч-5А 11.12.2011 10 лет 167° в.д. 141
Луч-5Б 03.11.2012 10 лет 16° з.д. 125
Луч-5В 2014 10 лет 95° в.д. 140
Рис. 10.13. Зона обслуживания КА МКРС «Луч»:
1 — зона радиовидимости при угле места 10°; 2 —зона радиовидимости при угле места 5°
Структурная схема космического канала доставки информации,
которая реализована на КА «Луч-5А» и «Луч-5Б», представлена
на рис. 10.14.
Данные из центра СДКМ поступают в ЭВМ управления земной
станции (ЗС) комплекса закладки и контроля (КЗиК), которая после-
довательно загружает их в формирователь радиосигнала. С выхода
формирователя радиосигнал на промежуточной частоте 70 МГц посту-
пает в блок преобразования частоты, где сигнал после двойного преоб-
разования переносится на несущую частоту 14415,42 МГц. Усилитель
мощности и зеркальная антенна диаметром 3,5 м обеспечивают экви-
валентную изотропную излучаемую мощность радиосигнала 72 дБ • Вт.
С учётом потерь на распространение в 208 дБ и коэффициента уси-
ления приёмной антенны КА в 31 дБ уровень сигнала на входе БРТР
368
17
Рис. 10.14. Космический канал доставки информации СКДМ:
/ — ЭВМ управления ЗС; 2 — формирователь радиосигнала; 3 — преобразователь
частоты; 4—усилитель мощности; 5 —передающая антенна ЗС; 6 — приёмная антенна
КА; 7, 10, 13, /6 — переключатель; 8, 9 — малошумящий усилитель; 11, /2 —конвектор; 14,
/5— усилитель; / 7 — передающая антенна КА; 18 — приёмная антенна ЗС; 19 — приёмник;
20 — потребитель; 21 — сигнал ЗС; 22 —сигнал КА; 23 — информация из центра СДКМ
составит —105 дБ • Вт. Бортовой ретранслятор, построенный по прин-
ципу прямой ретрансляции с одним преобразованием частоты, обес-
печивает перенос радиосигнала на частоту 1 575,42 МГц и усиление
его до уровня 31,5 дБ • Вт при массе 18 кг и потреблении от бортовой
сети КА 270 Вт.
С учётом потерь на трассе распространения радиосигнала КА
до потребителя в 189 дБ минимальный уровень сигнала на входе
антенны потребителя составит —158, 5 дБ • Вт, в случае если переда-
ющая антенна КА направлена на экватор. Поскольку основная зона
обслуживания СДКМ находится в Северном полушарии, то с целью
повышения минимального уровня сигнала передающая антенна КА
отклонена от направления на экватор на 7° на север. В результате
минимальный уровень сигнала в зоне обслуживания повысится почти
на 1,5 дБ (рис. 10.15).
В ходе лётных испытаний БРТР СДКМ на КА «Луч-5А» в июле
2012 г. была проведена оценка уровня сигнала у поверхности Земли
с помощью радиотелескопа МГТУ им. Н. Э. Баумана. Спектр сигнала,
принятого на зеркальную антенну диаметром 7,75 м с коэффициентом
усиления в /.-диапазоне 40 дБ, из которого следует наличие запа-
са в 8 дБ в уровне сигнала относительно минимально необходимого
уровня, показан на рис. 10.16.
10.2. Принципы построения и функционирования
369
Рис. 10.15. Минимальный уровень сигнала КА СДКМ у поверх-
ности Земли:
1 — передающая антенна направлена на экватор; 2 — передающая
антенна направлена под углом 7° на север к экватору
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
[Spectri m 12/07/12 11:30 >«!
Ref -80 0 dBm XT Atf 0 dB •RBW VBW : 10 kHz SW 100 kHz Trig Г: Is Trace Average : Free Run •Detect RMS
1.5754835 GHz 1818 dBm
rSv»eep < -85. Q ,
1 -910
_g5Q । “Г"
_1flU n
- iuu.u —1 iflC fl 1
-IU3.U .110 fl fl
-1 Iw.v _1« fl / \
-113. w * -120.0 у \ / \ I ~ - *
-125.0
11
Ml 1 1.5 5^834921 GHz
Center 1.57542 GHz Span:20 MHz 1
S-tt 0 Set to Ser to Sele et Center Mkr Search 1
Ptak KextPe^i Minimum Marker LeveMHkr Limits
Рис. 10.16. Спектр сигнала БРТР СДКМ на КА «Луч-5А»
Для удобства построения навигационной аппаратуры потребителя
ГЛОНАСС/ОРЭ/СДКМ и обеспечения совместимости и взаимо-
дополняемости с зарубежными системами WAAS, EGNOS, MSAS
и GAGAN БРТР СДКМ излучают шумоподобные фазоманипули-
рованные радиосигналы на частоте 1 575,42 МГц. Несущие колеба-
ния модулируются двоичными символами, которые образованы сло-
жением по модулю 2 символов НС и псевдослучайной последова-
тельности. Навигационное сообщение, передающееся со скоростью
250 бит/с, подвергается дополнительному свёрточному кодированию,
в результате которого скорость возрастает до 500 бит/с. Псевдослу-
чайная последовательность является 1 023-битным кодом со скоро-
стью 1,023 Мбит/с. Радиосигналы КА СДКМ имеют кодовое разделе-
370
Приёмник
Станция сбора измерений СДКМ
Интернет
Процессор
Декодер
Выходные данные
Программное обеспечение потребителя
Рис. 10.17. Система доставки информации СДКМ по наземным каналам
О системе Новости Станции Оперативный мониторинг Апостериорный мониторинг Высокоточное местоопределение Отчеты Ссылки
Текущее состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС
Условные обозначения:_____________________________________
В КА используется по целевому назначению________________
Временно имеет пониженные точностные характеристики
Запущен, но не введен в эксплуатацию_________________
Выведен из системы___________________________________
В данной точке КА отсутствует
Дата: 28-05-2013
Время: 09:45:00
КА в составе орбитальной группировки: 29
КА в системе: 24
КА в резерве: 3 (ст8 (КА 712), ст17 (КА 714), ст14 (КА 722))
КА на испытании: 1 (ст26 (КА 701))
КА в процессе ввода: 1 (КА 747)
10.2. Принципы построения и функционирования
Рис. 10.18. Сайт СДКМ
ние, при котором каждый КА имеет уникальный идентификационный
код, относящийся к семейству 1 023 кодов Голда (см. табл. 10.4).
Одновременно с созданием космических каналов доставки инфор-
мации СДКМ в 2009 г. в опытную эксплуатацию введён интернет-
сервер СДКМ, который позволил отработать, проверить и подтвер-
дить характеристики формируемой СДКМ информации, не дожидаясь
запуска КА МКСР «Луч» (рис. 10.17).
С целью информирования потребителя о результатах оперативного
и апостериорного мониторинга состояния радионавигационных полей
ГЛОНАСС и GPS, предоставления услуг высокоточного определе-
371
ния местоположения в апостериорном режиме создан сайт СДКМ
(www.sdcm.ru) (рис. 10.18).
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
10.2.5. Комплекс контроля
Комплекс контроля предназначен для обеспечения мониторинга
остаточной погрешности НВО при использовании КИ и ИЦ, форми-
руемых СДКМ, и выполняет следующие функции:
• получение КИ и ИЦ из центра СДКМ;
• проведение контрольных измерений остаточной погрешности
НВО с учётом применения формируемой КИ и ИЦ;
• доставку результатов контрольных измерений остаточной по-
грешности НВО в центр сбора и обработки данных КК СДКМ;
• проведение контрольных измерений уровней внешних электро-
магнитных полей в районах расположения ССИ СДКМ;
• обработку данных измерений в центре сбора и обработки данных
КК СДКМ и их передачу в центр СДКМ.
В состав комплекса контроля СДКМ входит центр сбора и обра-
ботки данных, четыре комплекса аппаратных средств контроля точно-
сти СДКМ (КСКТ) и пять комплектов аппаратуры контроля помехо-
вой обстановки (АКИО) (рис. 10.19).
Сигналы ГНСС
г. Хабаровск
г Иркутск
Широкозонные
поправки,
передаваемые
СДКМ
(формат SBAS,
протокол SiSNet)
Аппаратура
контроля
помеховой
обстановки
АПК
оператора
КК СДКМ
АПК
удалённого
автоматизиро-
ванного
рабочего
места
Сервер
сбора данных
КСКТ
Сервер
распространения
широкозонных
поправок
Комплекс средств контроля точности
г. Петропавловск-
Камчатский
г. п. Менделеево
Московская
область
Графический интерфейс пользователя КСКТ
с возможностью удалённого управления
Центр сбора и обработки данных
Рис. 10.19. Структура комплекса контроля СДКМ
372
Комплексы средств контроля точности развёрнуты в г. п. Менделе-
еве (Московская область), гг. Иркутск, Хабаровск, Петропавловск-
Камчатский. Измерительные средства
КСКТ обеспечивают формирование
ИТНП, приём и декодирование НИ ра-
диосигналов БРТР СДКМ в местах
дислокации и передают данную инфор-
мацию в центр комплекса контроля.
В центр также поступает КИ и ИЦ
непосредственно из ЦДКМ, что поз-
воляет оценить задержку доставки ИЦ,
правильность формирования и передачи
КИ и ИЦ, а также сравнить результа-
ты НВО с использованием информации,
передаваемой по наземным и космиче-
ским каналам.
Аппаратура контроля помеховой об-
становки представляет собой мобиль-
ные средства анализа электромагнитной
Рис. 10.20. Аппаратура контроля
помеховой обстановки
обстановки с помощью анализатора спектра и антенной системой
(рис. 10.20). Она размещается в транспортных контейнерах, обеспе-
чивающих возможность её оперативной доставки в место проведения
измерений.
10.2.6. Подсистема информационного взаимодействия
Подсистема информационного взаимодействия, созданная с целью
обеспечения потребностей компонентов СДКМ в части информаци-
онного взаимодействия, является территориально-распределённой се-
тью, функционирующей на территории Российской Федерации и за ру-
бежом. В качестве первичных каналов связи используются сети фе-
деральных операторов связи. Эффективное сочетание современных
информационных технологий, использованных при разработке ПИВ,
обеспечивает:
• приоритетную передачу результатов ИТНП с ССИ в ЦДКМ
и доставку КИ и ИЦ из ЦДКМ на КЗиК;
• передачу команд от ЦДКМ до ССИ и КЗиК, обратно — передачу
телеметрической информации;
• автоматическое установление и поддержание информационных
соединений;
• автоматическую сетевую адаптивную маршрутизацию пакетов
данных;
• централизованный контроль состояния и управление средствами
передачи данных в сети;
• защиту данных от искажения и несанкционированного доступа,
криптографическое преобразование данных для передачи по открытым
каналам связи.
10.2. Принципы построения и функционирования
373
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
Опыт создания и эксплуатации информационных систем позволяет
сделать вывод о том, что наиболее действенным способом повышения
надёжности передачи данных является дублирование каналов связи.
Причём эффект повышения надёжности достигается лишь в том слу-
чае, когда дублирующие каналы независимы друг от друга и террито-
риально разнесены. Поэтому в ПИВ СДКМ. обеспечено подключение
каждой ССИ к ПДКМ по двум трактам информационного взаимо-
действия — основному и дублирующему (кроме антарктических ССИ).
При этом выделенный канал с гарантированными характеристиками
используется в качестве основного, а канал Интернет —в качестве
дублирующего.
В состав ПИВ (рис. 10.21) входят центральный пункт (ЦП) и або-
нентские комплекты (АК).
Рис. 10.21. Структурная схема ПИВ СДКМ
Основные технические характеристики ПИВ:
• время задержки при передаче не превышает с вероятностью 0,99:
ИТНП и НИ от ССИ в ЦДКМ - 1,0 с,
КИ и ИЦ из ЦДКМ на средства КСИ — 0,5 с;
• количество потерянных информационных сообщений не превы-
шает 0,01 % общего количества переданных сообщений (при условии
наличия хотя бы одного работоспособного канала связи);
• функционирование аппаратно-программных средств в круглосу-
точном режиме.
Одним из наиболее существенных технических решений, обеспечи-
вающих одновременное выполнение высоких требований по оператив-
ности и надёжности доставки данных, является разработка и внедре-
374
ние нового протокола передачи данных на базе протокола UDP (User
Datagram Protocol).
Каждому UDP-пакету, содержащему информационное сообщение
в бинарном или текстовом формате, присваивается порядковый номер.
При отсутствии пакета с заданным номером в цепочке принятых (по-
тери пакета при передаче данных) принимающий коммуникационный
сервер проводит запрос потерянного пакета у передающего абонен-
та. Отправитель находит указанный пакет в собственной базе данных
временного хранения и повторно отправляет его в адрес коммуника-
ционного сервера. При этом интервал времени, в течение которого
выполняется запрос на повторную выдачу и пересылку пакета, не дол-
жен превышать установленное значение временного интервала. Если
пакет будет передан с большей задержкой по времени, то, несмотря
на то что он не будет использован в ходе оперативной обработки, пакет
будет записан в базу данных принимающей стороны для обеспечения
возможности его последующего использования в процессе апостери-
орной обработки данных.
Кроме того, разработанный протокол предусматривает применение
приоритетности передаваемых данных. В процессе информационно-
го обмена обеспечивается передача различных данных, требования
по оперативности доставки которых также различаются. Так, напри-
мер, в первую очередь в IТД КМ должны быть доставлены ИТНП
и вспомогательная информация от ССИ. При этом RINEX-файлы мо-
гут быть отправлены с некоторой задержкой.
10.2. Принципы построения и функционирования
10.3. СДКМ: возможности использования
и перспективы развития
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
10.3.1. Результаты использования информации СДКМ
В связи с тем что для потребителей СДКМ на территории Россий-
ской Федерации важнейшим показателем является погрешность ре-
шения навигационной задачи при использовании корректирующей ин-
формации, на рис. 10.22 и 10.23 приведены результаты оценки погреш-
ности навигационных определений при использовании КИ СДКМ. Ре-
зультаты получены при обработке первичных измерений, проведённых
на суточном интервале 24 марта 2013 г.
С целью исследования качества услуг СДКМ в различных режимах
(ГЛОНАСС и ГЛОНАСС/СДКМ) в период 16—19 февраля 2011 г.
была проведена серия экспериментов, каждый из которых состоял
из двух частей. В ходе первой части эксперимента для статического по-
требителя, расположенного на территории ОАО «Российские косми-
ческие системы», был осуществлён набор массивов первичных измере-
ний навигационных параметров (псевдодальностей) для радиосигналов
в диапазоне L1 для видимых НКА ГЛОНАСС, а также массивов кор-
ректирующей информации. Вторая часть эксперимента заключалась
в апостериорной обработке первичных измерений по НКА ГЛОНАСС
без использования корректирующей информации СДКМ и с её при-
влечением.
Результаты оценки среднеквадратической погрешности решения
навигационной задачи с помощью НКА ГЛОНАСС в двух режимах
(с СДКМ и без него) приведены в табл. 10.5 и на рис. 10.24. В хо-
376
> 60,00
< 60,00
<30,19
<15 29
<7,84
<4,12
<2,26
<1,32
<0,86
<0,63
<0,51
<0,46
Рис. 10.22. Погрешность навигационных определений при использовании КИ
Рис. 10.23. Отклонение в определении пла-
новых координат от априорного значения
де вторичной апостериорной обработки для оценки эффективности
применения корректирующей информации СДКМ для обработки ис-
пользовались лишь моменты времени, когда значение ГФ меньше 3.
Сравнительный анализ результатов использования корректирую-
щей информации СДКМ показывает, что погрешность навигационных
определений снижается в 4—6 раз.
Следует отметить, в сентябре 2010 г. были проведены исследо-
вания возможности использования ЭВИ СДКМ для решения задач
высокоточного определения местоположения потребителей, которые
подтвердили возможность уменьшения погрешности навигационных
определений до уровня менее 0,1 м [42, 75—78] при обработке мае-
377
Таблица 10.5
Среднеквадратические погрешности определения координат
потребителя при использовании НКА ГЛОНАСС и КИ СДКМ
Режим Погрешность определения, м
плановых координат ВЫСОТЫ трёхмерных координат
ГЛОНАСС 2,9 3,4 4,3
ГЛОНАСС/СДКМ 0,50 0,79 0,93
Глава 10. Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга
сивов первичных измерений навигационных параметров на интервалах
времени более 30 мин. Более подробно данный режим работы рас-
сматривается в гл. 11.
Ю4
103
102
101
10°
50
45
40
S 35
S30
§25
20
> 15
10
5
0
10 20 30 40 50
Ошибка, м
104
103
102
101
10°
Рис. 10.24. Оценка целостности навигационного
обеспечения с использованием информации СДКМ:
а — при определении плановых координат;
б — при определении высоты
Как указывалось ранее, второй важной услугой СДКМ являет-
ся мониторинг целостности навигационного обеспечения и доставка
потребителям сигналов тревоги. Поэтому при оценке характеристик
378
услуг СДКМ было проведено сравнение расчётных значений уровней
защиты и априорно заданных уровней тревоги для плановых коорди-
нат и высоты (см. рис. 10.24), которые показывают, что предельная
погрешность определения плановых координат и высоты при исполь-
зовании информации СДКМ обеспечивает целостные навигационные
определения с вероятностью 0,994 и 0,996 соответственно.
10.3.2. Программа развития СДКМ
Основным направлением развития СДКМ на ближайшие годы яв-
ляется обеспечение потребителей КИ и ИЦ на всей территории Рос-
сийской Федерации, расширение зоны уверенного приёма радиосиг-
налов БРТР СДКМ на КА МКСР «Луч», внедрение дополнительных
радиосигналов с КИ и ИЦ в диапазонах L1 и А5, размещения допол-
нительных пунктов СДКМ как на территории Российской Федерации,
так и в сопредельных государствах, а также проведение работ по сер-
тификации СДКМ в соответствии с требованиями ICAO по посадке
с управлением по высоте LPV-200.
Зона уверенного приёма будет расширяться за счёт запуска КА
«Луч-5В» в 2014 г. в точку 95° в.д. (см. табл. 10.4).
0.3. СДКМ: возможности использования и перспективы развития
Глава 11
ВЫСОКОТОЧНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
11.1. Методические основы высокоточного
определения местоположения
11.1.1. Предпосылки развития технологий высокоточных
навигационных определений
В настоящее время разработаны и широко применяются на практи-
ке методы навигации, в которых потребитель имеет возможность либо
осуществлять высокоточные относительные навигационные опреде-
ления (погрешность порядка единиц сантиметров) на расстояниях
в несколько десятков километров от опорных станций, либо проводить
абсолютные навигационные определения с погрешностью несколь-
ко метров. Необходимо отметить, что в последние годы произошло
несколько событий, которые создали основу для дальнейшего повы-
шения точности определения местоположения по сигналам ГНСС.
Во-первых, ГЛОНАСС и GPS прошли этап очередной модерниза-
ции — на орбите появились НКА нового поколения, излучающие нави-
гационные радиосигналы открытого доступа в диапазонах L\ и Аг, что
позволяет практически полностью устранить ионосферную задержку
сигнала двухчастотным методом [42]. Во-вторых, IGS в результате
масштабных исследований разработала алгоритмы оценки эфемерид
и частотно-временных параметров БШВ НКА, которые дают воз-
можность оценивать данные параметры с погрешностью в единицы
сантиметров [46]. Эти обстоятельства позволили создать алгорит-
мы высокоточных абсолютных навигационных определений (Precise
Point Positioning—PPP) [77, 78], которые характеризуются точно-
стью определения координат, сопоставимой с относительными мето-
дами RTK (табл. 11.1).
11.1. Методические основы высокоточного определения местоположения
381
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
Таблица 11.1
Составляющие погрешности навигационных определений (в метрах)
Составляющая погрешности Режим работы навигационной аппаратуры потребителя
абсолютный одночастот- ный абсолютный двухчастотный локальный дифференци- альный широкозонный дифференци- альный высокоточный относитель- ный (RTK) высокоточный абсолютный (РРР)
Эфемериды 0,7 0,7 0,02 0,3 0,02 0,05
Частотно-временные параметры 1,2 1,2 0,02 0,3 0,02 0,006-0,2
Ионосферная рефракция 2 — 0,02 0,05 — —
Тропосферная рефракция 0,5 0,5 0,03 0,12 0,03 —
Аппаратурная погрешность 0,5 0,7 0,5 0,5 0,003 0,003
Геометрический фактор 2 2 2 2
Общая погрешность 5,1 3,1 1 1,3 0,05 0,05-0,21*
*Погрешность может быть уменьшена за счёт обработки длительных интервалов наблюдений.
В предыдущих главах отмечалось, что высокая точность навига-
ционных определений может быть достигнута лишь при использова-
нии псевдофазовых измерений. Обработка таких измерений затрудне-
на вследствие их неоднозначности, а также возможных скачкообраз-
ных изменений этой неоднозначности, вызываемых срывами слежения
петель слежения за фазой несущих колебаний спутниковых сигналов.
Поэтому особое внимание при обработке измерений в ГНСС уделяет-
ся обнаружению и устранению разрывов псевдофазы с последующим
определением ПФН.
Значительные трудности в обработке ИТНП обусловлены наличи-
ем в измерениях систематических смещений, к которым относятся:
• релятивистские смещения;
• гравитационные смещения;
• смещения в псевдофазовых измерениях, связанные с взаимной
ориентацией антенн НКА и АП;
• смещения и вариации фазовых центров антенн НКА относитель-
но центров масс спутников;
• смещения и вариации фазовых центров антенн АП относительно
геодезических координат точек их установки;
• смещения, вызываемые приливами в упругом теле Земли, поляр-
ными, океаническими и атмосферными приливами, движением текто-
нических плит Земли.
В режиме абсолютных определений с обычной точностью, пере-
численными смещениями обычно пренебрегают в связи с их малостью,
однако при высокоточном определении местоположения такие прене-
брежения недопустимы. В связи с этим приходится предпринимать до-
полнительные усилия для вычисления и компенсации систематических
смещений в измерениях с помощью соответствующих математических
моделей.
Указанные выше особенности использования ИТНП, а также на-
личие в измерениях неопределённых составляющих, которые не могут
быть оценены и скомпенсированы с помощью математических мо-
делей, приводят к значительному усложнению вторичной обработки
ИТНП. Всё это обусловливает необходимость разработки специаль-
ных методов обработки измерений, учитывающих специфику, порож-
даемую требованиями к высокой точности определения местополо-
жения.
11.1.2. Расширенные модели первичных измерений
Необходимость учёта дополнительных факторов при высокоточ-
ных навигационных определениях требует перехода от традиционной
математической модели (6.4), в которой измерение псевдо дальности S
зависит от эфемеридной погрешности 5/?, расхождения БШВ 57бшв
и ШВП <57швп относительно СШВ, задержки распространения радио-
сигнала в ионосфере 5тион, задержки распространения радиосигнала
в тропосфере 6тТрОП, искажения вследствие многолучёвости 5тмнл и за-
11.1. Методические основы высокоточного определения местоположения
383
держки радиосигнала в АП 6тпрм, к расширенной зависимости [26, 79]:
S = R + о/? +
+ С [б/щвп 57бшВ 4" Stj-jkA 4" бТред + 5тион + бТтроп 4" 6тмнл 4" 6xnpMj +
4- 6/?г п 4* 5Дд 4-^5, (11.1)
11. Высокоточные навигационные определения
где 5трел — величина релятивистской поправки; Sthka — величина груп-
повой задержки радиосигнала в бортовом источнике навигационного
сигнала НКА; 5/?гп — величина смещения ИТНП, обусловленного гра-
витационно-приливными эффектами; — смещение фазового цен-
тра передающей антенны НКА относительно центра масс НКА.
С учётом новых параметров математическая модель измерения
псевдофазы (6.5) приобретает следующий вид:
ХФ = R 4- 6/? +
4“ С • [5/щвП ВТвшВ 4" ^Трел 4- 5тТр0П] + 4” 57?д Т
4" Х[бфнкА 4- 6<р 4- 6Фво + бфмнл 4- сро — фо 4- N] 4- е$, (11.2)
где бфнкА — фазовая задержка несущих колебаний радиосигнала в бор-
товом источнике навигационного сигнала НКА; 5<р — фазовая задерж-
ка несущих колебаний в АП; 6Фво — смещение, порождаемое изме-
нениями взаимной ориентации антенн АП и НКА; 5фмнл — фазовые
искажения принимаемого сигнала при многолучевом распространении
(переотражениях); фо —начальная фаза несущих колебаний излучае-
мого радиосигнала НКА; <р0 — начальная фаза колебаний на несущей
частоте, формируемых в АП.
Далее в данной главе рассмотрены методы вычисления задержек
и смещений ИТНП, входящих в модели (11.1) и (11.2). Учёт перечис-
ленных параметров позволяет повысить точность оценки ИТНП и как
следствие осуществлять высокоточные навигационные определения.
л
11.2. Методы оценки параметров моделей
первичных измерений навигационных
параметров
11.2.1. Высокоточная эфемеридно-временная информация
В основе высокоточных навигационных определений лежат резуль-
таты работ по оценке ЭВИ. Роль пионера в исследовании технологий
высокоточного ЭВО принадлежит организациям, входящим в IGS, ко-
торая первоначально называлась Международная служба GPS. Для
того чтобы лучше понимать потенциально достижимые точности опре-
деления параметров движения (б/?) и БШВ (<57бшв) НКА, рассмотрим
более подробно принципы работы данной организации и выходные
данные, которые формируются на основе самой развитой сети измери-
тельных станций в мире. Именно полученные в IGS результаты легли
в основу построения не только глобальной дифференциальной системы
NASA (Global Differential GPS — GDGPS), но и коммерческих систем
OmniSTAR и StarFire (см. разд. 12.3).
IGS — глобальная самоуправляемая организация с децентрали-
зованным финансированием деятельности участников. Деятельность
членов IGS финансируется министерствами и ведомствами различных
стран, которые имеют статус участвующих организаций. Служба была
учреждена Международной геодезической ассоциацией (International
Association of Geodesy—IAG) в 1993 г. и официально начала свою
деятельность 1 января 1994 г.
Координацией деятельности IGS занимается центральное бюро,
которое располагается в Лаборатории реактивного движения НАСА.
По состоянию на февраль 2014 г. служба объединяет более 440 стан-
ций на территории более чем 100 организаций по всему земному шару.
Все станции непрерывно формируют ИТНП, принимают ЦИ и за-
писывают эти данные в файлы, которые передаются в 4 глобальных,
6 региональных и 17 оперативных центров обработки.
Оперативные центры обработки решают задачи непосредственно-
го взаимодействия с измерительными станциями, включая мониторинг
из работы, проверку и преобразование данных в единый формат, ежа-
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
385
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
тие и хранение данных в исходном и едином форматах, а также переда-
чу данных в региональные и глобальные центры. Оперативные центры
обязаны обеспечить загрузку данных в соответствии с утверждённы-
ми требованиями к процессу предоставления информации в главные
и региональные центры с прикреплённых станций.
Региональные центры осуществляют сбор данных в едином фор-
мате с нескольких оперативных центров и отдельных станций, под-
держивают локальную базу данных и предоставляют к ней доступ для
потребителей в данном регионе, а также передают данные с прикреп-
лённых региональных сетей в глобальные центры обработки. Прин-
цип регионального разделения станций является достаточно услов-
ным, поскольку помимо географического разделения станции могут
объединяться в региональную сеть по ведомственной принадлеж-
ности.
Глобальные центры обеспечивают взаимодействие с аналитически-
ми центрами и потребителями путём предоставления им доступа к дан-
ным из региональных и оперативных центров, а также к продуктам
IGS (ЭВИ, координатам опорных станций IGS, параметрам враще-
ния Земли и т.д.).
Собранные в глобальных центрах данные используются аналитиче-
скими центрами для формирования выходных данных (продуктов) IGS
(табл. 11.2), которые подразделяются на следующие четыре группы:
1) финальные продукты (final products), включающие эфемериды
и ЧВП НКА ГЛОНАСС и GPS, параметры вращения Земли (дви-
жение полюса и длительность суток), параметры шкал времени, ко-
ординаты и параметры вектора скорости станций. Финальные продук-
ты определяются на временном интервале, соответствующем неделе
GPS, и предоставляются не позднее априорно определённого срока
(в настоящее время через 12 суток с момента окончания временного
интервала);
2) быстрые продукты (rapid products) включают ЭВИ только для
НКА GPS, а также оценки параметров вращения Земли и параметры
шкалы времени станций на суточном интервале и формируются в те-
чение 17 ч после окончания соответствующих суток;
3) сверхбыстрые продукты (ultra-rapid products) — эфемериды
и ЧВП НКА GPS, эфемериды НКА ГЛОНАСС и оценки параметров
вращения Земли, вычисляемые 4 раза в сутки в течении 3 ч после
формирования последнего ИТНП. Данные продукты включают апо-
стериорную оценку ЭВИ за последние 24 ч, а также прогноз ЭВИ
также на интервале 24 ч;
4) продукты реального времени (real-time products) включают КИ
к бортовой ЭВИ НКА ГЛОНАСС, а также потоки ИТНП из глобаль-
ной сети ССИ. В рамках экспериментальных исследований до конца
2013 г. IGS проводит испытания услуги формирования КИ к ЭВИ
НКА ГЛОНАСС. Эфемериды в данном режиме обновляются с пери-
одичностью не более 60 с, а ЧВП — 5 с.
386
Характеристики продукты 1GS
Таблица 11.2
I Продукт Тип данных Погрешность (СКО) Периодичность / задержка обновления
Эфемеридно-временная информация
Сверх- быстрые (прогнозные) Эфемериды GPS Эфемериды ГЛОНАСС ЧВП GPS 0,05 м 0,1 м 3,0 нс 6ч/ 15 мин
Сверх- быстрые (апо- стериорные) Эфемериды GPS Эфемериды ГЛОНАСС ЧВП GPS 0,03 м 0,1 м 0,15 нс 6ч/ 3-9 ч
Быстрые Эфемериды GPS ЧВП GPS 0,025 м 0,075 нс Ежедневно / 17-41 ч
Финальные Эфемериды GPS Эфемериды ГЛОНАСС ЧВП GPS 0,02 м 0,03 м 0,075 нс Еженедельно / 12—18 суток
Реальное время Эфемериды GPS ЧВП GPS 0,05 м 0,30 нс Непрерывно / 5-60 с
Координаты станций
Финальные Плановые координаты Высота 0,003 м 0,005 м Еженедельно / 10 суток
Параметры вращения Земли
верх- стрые рогнозные) Движение полюса Длительность суток 200 mas 50 мкс 6 ч / 6 ч
Сверх- стрые (апо- Е *ериорные) Движение полюса Длительность суток 50 mas 10 мкс 6 ч / 6 ч
стрые Движение полюса Длительность суток 40 mas 10 мкс Ежедневно / 17 ч
•нальные Движение полюса Длительность суток 30 mas 10 мкс Еженедельно / 11 — 17 суток
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
387
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
Для создания услуги реального времени (realtime service —RTS)
Агентство природных ресурсов Канады (Natural Resources Canada —
NRCan), Федеральное агентство картографии и геодезии ФРГ (BKG)
и Центр космических программ Европейского космического агентства
(European Space Agency’s Space Operations Center —ESOC) создали
партнерство, которое позволило объединить операторов сети из более
чем 160 ССИ, множества региональных центров и 10 центров анали-
за по всему миру. Общая координация работ по данному продукту
возложена на ESOC, который определен координатором Аналити-
ческих центров реального времени IGS (Real Time Analysis Center
Coordinator — RTACC).
Продукты реального времени распространяются через Интернет
в соответствии с протоколом NTRIP в виде сообщений RTCM. SSR.
КИ для ЭВИ НКА GPS передаются в продуктах, обозначаемых
IGS01/IGC01 и IGS02. Совместная КИ для ЭВИ НКА ГЛОНАСС
и GPS имеет обозначение IGS03. При этом КИ вычисляется в системе
координат ITRF 2008.
Основными достоинствами продуктов IGS является возможность
их получения на безвозмездной основе без какого-либо лицензирова-
ния. Поскольку распространение информации через Интернет в ве-
щательном режиме сопряжено со значительными финансовыми за-
тратами по оплате исходящего потока данных, то центры IGS ведут
учёт подключённых потребителей. Для подключения к потоку реаль-
ного времени можно воспользоваться сайтом IGS Real-time service
(http://rts.igs.org). В случае если в данной информации заинтересова-
ны коммерческие организации, то они в установленном порядке долж-
ны обращаться в центральное бюро IGS.
Анализ погрешностей продуктов IGS (см. табл. 11.2) показыва-
ет, что развитие методов оценки и прогнозирования ЭВИ позволяет
уменьшить значения 6R и 57бшв до долей метра, что существенно
меньше большинства составляющих погрешности ИТНП, рассмот-
ренных в гл. 6 и описанных в моделях (11.1) и (11.2).
11.2.2. Релятивистские эффекты
В главе 4 отмечалось, что на показания БШВ НКА влияют реляти-
вистские эффекты, которые следуют из специальной и общей теорий
относительности: орбитальное движение НКА приводит к замедле-
нию «бортового» времени, уменьшение гравитационного потенциала
на высоте орбиты — к ускорению. При скорости движения НКА по-
рядка 4 км/с и высоте орбиты порядка 20000 км суммарный эф-
фект указанных факторов приводит к ускорению хода «бортового»
времени относительно «земного». Соответственно, с точки зрения
потребителя, находящегося на Земле, опорная частота БСУ НКА
будет больше, чем ее номинальное значение на борту НКА. Для
того чтобы скомпенсировать этот эффект, частоты задающих гене-
388
раторов БСУ НКА ГЛОНАСС снижают на относительную величину
= -4,36- КГ10.
3 интерфейсном контрольном документе (ИКД) GPS [35] описана
. е анальная процедура коррекции показаний БШВ НКА, основанная
а расчете величины 6трап по параметрам орбиты НКА. Однако, более
является метод мгновенного вычисления 5трел:
9Р • V
5Трел = -^-- (П.З)
Р— вектор координат НКА; V — вектор скорости НКА.
Поскольку при использовании выражения (11.3) векторы могут
' ытъ заданы как в подвижной гринвичской системе координат, связан-
. вращающейся Землёй, так и в инерциальной системе координат,
гвжзанной с неподвижной Землёй, то данное выражение используется
.. > при расчете параметров моделей движения и шкал времени НКА
IPS и ГЛОНАСС.
Расчёты по формуле (11.3) показывают, что значение 5трел может
достигать 15...20 нс, что соответствует поправке в ИТНП порядка
- "...6 м. Очевидно, что поправки такого уровня должны обязательно
гштываться при высокоточном определении координат потребителей.
11.2.3. Гравитационно-приливные эффекты
Учёт влияния изменения гравитационного поля Земли под действи-
Яругих небесных тел, которые также влияют на изменение формы
.и под действием приливов в её упругом теле, а также полярных
-панических, осуществляется через величину 5ДГП, определяемую
.. тощим выражением:
бДг.п = 4" 5ДТ + 6/?0 + о/?п, (11.4)
.. Дг —величина смещения ИТНП, обусловленная гравитацион-
эффектами; 67?т — величина смешения ИТНП, обусловленная
“/.'Ливами в упругом теле Земли; 5/?0 — величина смещения ИТНП,
обусловленная океаническими приливами; 5/?п — величина смещения
' П, обусловленная полярными приливами.
Смещение 5ДГ определяется влиянием гравитационных полей Зем-
Дуны, Солнца, Юпитера и других небесных тел и может быть
рассчитано как сумма смещений, вызванных каждым из них. Для оцен-
• м смещения, вызванного гравитационным полем одного небесного
используется формула [42]
S/?rHT = -P5ln(l-Р Х), (11.5)
где /?5 — радиус Шварцшильда = ~~г~’ 6 ~ гравитационная посто-
я; И — масса небесного тела; Р — единичный вектор, направлен-
ын от АП к НКА; X — единичный вектор, направленный от АП к дан-
- • • небесному телу.
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
389
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
На практике оказывается, что ближайшая к Земле планета-гигант
Юпитер вносит гравитационную задержку порядка нескольких сотен
пикосекунд, т. е. вклад в смещение 6/?г составляет менее 0,01 м. Наи-
большее смещение вносит гравитационное поле Земли, вклад которо-
го, рассчитанный по (11.5), может достигать нескольких сантиметров.
Таким образом, смещение 6/?г необходимо учитывать, поскольку дан-
ное смещение сопоставимо с величиной аппаратурной погрешности
ИТНП.
Смещение 5RT обусловлено тем, что Земля не является абсолютно
твёрдым телом: под действием внешних сил расстояние между двумя
произвольными точками изменяется. Она не является и абсолютно
упругим телом. Если действие внешних сил прекращается, то точки
не возвращаются в первоначальное положение, т. е. Земля остаётся
в деформированном состоянии.
Для описания упругих деформаций Земли английский геофизик
А. Э.Х.Ляв (Лав) ввёл безразмерные параметры h (позже японский
учёный Шида определил число /), которые сейчас называются числа-
ми Лява и Шида. Числа Лява связаны с модулями упругости Земли
(величинами, характеризующими упругие свойства материалов при ма-
лых деформациях). В настоящее время доказано, что упругие свойства
Земли и, следовательно, числа Лява зависят от частоты воздействую-
щей на Землю силы.
Потенциал в точке наблюдения складывается из гравитационно-
го потенциала внешних тел (Солнца, Луны и планет) и собственного
потенциала Земли, возмущённого приливными деформациями. Для
определения положения пункта в системе ITRF из его мгновенного ра-
диус-вектора вычитается вектор 6R, полной приливной деформации,
причём постоянное смещение вычисляется с использованием чисел
Лява и Шида.
Для принятой модели строения Земли были рассчитаны числа Ля-
ва, на основе которых вычисляется приливное смещение АП с по-
грешностью менее 0,005 м (СКО) по формуле [42]
1 ')]«/+ [3 (у - '=)<*' г)2 - т] 4 +
/=2 1
+ —0,025m sin ср cos ср sin(0g + X) г, (11.6)
где М, — масса Луны (/ = 2) и Солнца (/ = 3); г, Rj — модули геоцен-
трических векторов АП, Луны и Солнца и соответствующие им еди-
ничные векторы г, Rj; — число Лява 2-го порядка (0,609); — число
Шида 2-го порядка (0,085); ср — широта пункта; X —долгота пункта;
6g — среднее Гринвичское сидерическое время.
Значение поправки (11.6) может достигать 0,3 м в радиальном на-
правлении и 0,05 м в плане. Поскольку внешний потенциал включает
как зависящие от времени гармоники, так и постоянную во времени
390
часть, то и приливное смешение АП содержит постоянную и пере-
менную во времени компоненты. Постоянная компонента смещения
в средних широтах может достигать 12 см и оставаться неизменной
ечение 24 ч, поэтому расчёт поправок, учитывающих данный вид
грешностей, должен обязательно входить в алгоритмы высокоточ-
го местоопределения.
Кроме описанных выше эффектов при оценке координат необходи-
" также учитывать влияние приливов Мирового океана 5/?0. В осно-
• данного эффекта лежит гравитационно-приливное взаимодействие
- системе Земля — Луна, которое приводит к изменению орбиты Луны
медлению вращения Земли.
Масса Луны сравнительно велика (1/81 массы Земли), и она рас-
?ложена довольно близко, вызывая приливы на Земле. В океанских
пах на обращённой к Луне стороне формируется приливная вол-
• (такая же волна формируется и на противоположной стороне).
Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, приливная волна
находилась бы точно под Луной, которая притягивает её к себе, и бе-
- :ла бы по поверхности Земли с запада на восток, совершая полный
оборот за один сидерический лунный месяц (27 дней 7 ч 43,2 мин).
Однако Земля вращается «под» этой волной, совершая один обо-
рот за сидерический день (23 ч 56 мин 4,091 с). В результате приливная
волна бежит по поверхности Земли с востока на запад, совершая
жн полный оборот за 24 ч 48 мин. Поскольку Земля не является
адеальным шаром, на каждую из этих двух приливных волн регу-
лярно < набегают» восточные берега материков, омываемых Мировым
мьеаном («набегают» именно материки на волну, поскольку Земля
вращается быстрее обращения Луны). Из-за этого приливная волна
смешается вперёд по направлению вращения Земли, опережая Луну.
. .. вием такого опережения является то, что значительная часть
весы океанских вод (т. е. и часть массы всей Земли) смещается впе-
тносительно линии, соединяющей центры масс Земли и Луны.
смещённая вперёд масса притягивает к себе Луну, создавая си-
’ствующую перпендикулярно линии Земля —Луна В результате
•а Луну действует момент силы, ускоряющий её обращение по орбите
- • Земли.
Международная служба вращения Земли IERS разработала реко-
ании [80], согласно которым смещение ИТНП вследствие вли-
шя приливов в каждом направлении можно оценить по следующей
с- рмуле:
6/?0 =
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
з г п 12
S S ЬАИ cos W + X/ + ui ~ фо)
f=l L/ = l
cos а,
(Н-7)
— ндекс, обозначающий направления на центр Земли (/ = 1),
-а запад (i = 2) и на юг (/ = 3); / —индекс, обозначающий суммиро-
11 приливным волнам (полусуточные волны М2, S2, М2 и К2',
391
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
суточные волны К\, О\, Р\ и фц длительные волны Mf, Мт и Ssa); fj,
и, — коэффициенты, зависящие от долготы лунного узла (при точно-
сти в 1...3 мм // =1 и Uj = 0); со, — угловая скорость вращения Земли;
X/ — астрономический аргумент; Д/, Ф/7 — амплитуда и фаза смещения
(по радиусу, на запад и на юг) местоположения потребителя; а — угол
между векторами смещения и направления на НКА из точки располо-
жения потребителя.
Величины со; и х/ принимают равными значениям угловой скорости
вращения Земли и астрономического аргумента в полночь. Значения
амплитуды Aij и фазы Ф(/- рассчитывают конволюцией функции Гри-
на с использованием модели движения Мирового океана и данных
береговых наблюдений, которые можно найти на сайте службы дви-
жения Мирового океана [80]. Результаты многолетних наблюдений
свидетельствуют о том, что амплитуда изменения момента М2 явля-
ется самой большой и не превышает для прибрежных станций 0,05 м
по радиусу и 0,02 м в горизонтальном направлении. Поэтому при
решении задач высокоточного определения местоположения необхо-
димо учитывать не только упругие деформации Земли, но и влияние
приливов. Причём делать это следует не только для потребителей, на-
ходящихся в прибрежной зона, но и для тех из них, кто расположен
в глубине материков.
Под полярными приливами понимают периодические смещения оси
вращения Земли по отношению к ее поверхности. Данные смещения
вызваны изменениями гравитационного потенциала Земли под воз-
действием Солнца и Луны [42]. Согласно [80], смещение ИТНП 5/?п
может быть вычислено на основании данных о смещении АП по ши-
роте ДА, долготе ДА и высоте ДЯ по следующим формулам:
5Я0 = \/АА2 + ДУ2 + ДА2 cos а; (11.8)
[ДА, ДУ, ДА]Т = (?Т[АА, ДА, ДЯ]т; (11.9)
ДА = -9 cos(2A)[(An -Ап) cos А - (Уп-Уп) sin А]; (11.10)
ДА = 9 sin(2A)[(An - Ап) sin А - (Уп-Уп) cos А]; (11.11)
АЯ = -33sin(2A)[(An -Ап) cos А - (Уп-Уп) sin А], (11.12)
где ДА, ДУ, ДА — смещение координат АП; а — угол между векторами
смещения и направления на НКА из точки расположения потребителя;
В, L — координаты АП; Ап, Уп — координаты полюса; Ап, Уп — средние
координаты полюса.
В отличие от твердотельных приливов смещения полюсов Зем-
ли не усредняются на суточном интервале времени. Они постепенно
изменяются с периодом около 430 дней. Максимальные значения кор-
рекций, связанные со смещениями полюсов Земли, достигают 0,0025 м
по высоте и 0,007 м в горизонтальной плоскости [42].
392
11.2.4. Эффекты, обусловленные положением НКА
в пространстве
К данной группе факторов относятся два эффекта:
1) несовпадение точки излучения сигнала (фазового центра) НКА
его центра масс (смещение 6/?д);
2) набег фазы вследствие различной ориентации антенн АП и НКА
ещение 8ФВо)-
Требование по учёту расхождения местоположения в пространстве
-ра масс НКА и фазового центра связано с тем, что АП производит
ч'ерение задержки распространения сигнала относительно фазового
_ентра, а при определении пара-
шетров модели движения НКА рас-
выполняется относительно центра
кс. Поэтому бортовые эфемериды
ОНАСС и GPS содержат данные
ижении фазового центра, а цен-
j расчёта высокоточных эфемерид,
-.не. например, как IGS, формируют
параметры орбиты для центра масс.
Именно центр масс выбирается цен-
системы координат (рис. 11.1),
иной с НКА. Ось Z соединяет
ы масс НКА и Земли, ось Y яв-
1 — фазовый центр антенны НКА;
2 — направление излучения; 3 — центр
масс НКА
л . ся произведением направляющего
вектора оси Z и вектора, направленного из точки расположения НКА
а Солнце. Ось X дополняет данную систему до правой тройки.
Величина 6/?д определяется по данным трёхмерного вектора сме-
шя фазового центра и ориентации АП относительно НКА (уг-
13 -адира). Геометрическая интерпретация угла надира 6 приведена
на рис. 11.2, максимальное значение которого составляет около 14,3°
д-- НКА ГЛОНАСС и 14° для НКА GPS для потребителей на по-
х эсти Земли.
Осреднённые значения смещений фазовых центров НКА различ-
i модификаций относительно центра масс данных НКА приведены
•6л. 11.3 [80]. Однако результаты исследования смещений фазовых
гров НКА «Глонасс-М» [81] относительно типовых смещений для
конкретного типа НКА (табл. 11.4) показывают необходимость ин-
1 шидуального учёта данных смещений для каждого НКА, поскольку
эти смещения могут превышать величину длины волны (например, для
• \ № 714).
Учёт указанных в табл. 11.3 и 11.4 параметров является одним
- ейших условий достижения высокой точности местоопреде-
ения при использовании высокоточной ЭВИ, поскольку в против-
ном случае вносимая в расчёты псевдодальности ошибка не позволит
зостачь требуемых точностей. При этом необходимо помнить, что,
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
393
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
Рис. 11.2. Угол надира направления НКА —АП
Таблица 11.3
Обобщённые смещения фазовых
центров НКА различных модификаций
Тип НКА Смещения фазового центра относительно центра масс НКА, м
X У Z
«Глонасс» 0 0 1,986
«Глонасс-М» -0,545 0 2,277
Block I 0,210 0 1,725
Block II 0,279 0 2,421
Block ПА 0,279 0 2,376
Block IIR-A 0 0 1,145
Block IIR-B 0 0 0,669
Block IIR-M 0 0 0,699
поскольку орбитальные группировки постоянно обновляются (запус-
каются новые НКА, а старые выводятся из эксплуатации), информа-
ция о параметрах вектора смещения фазового центра НКА регулярно
обновляется. Наиболее полная и актуальная информация содержится
в специальном файле формата ANTEX, формируемом Международной
службой ГНСС.
Смещение 6Фво возникает вследствие вращения, которое связано
с тем, что НКА излучают сигналы с правой круговой поляризацией
и значения измеренного набега фаз зависят от взаимной ориентации
антенн НКА и АП. При вращении как передающей, так и приёмной
антенны относительно оси диаграммы направленности паразитный на-
394
Таблица 11.4
Смещения фазовых центров НКА
«Глонасс-М» относительно вектора
смещения для данного типа НКА
Номер НКА Смещения фазового центра относительно центра масс НКА, м
X У Z
701 -0,126 0,011 -0.095
712 -0,059 0,002 -0,116
713 -0,067 -0,043 -0,049
714 0,116 -0,068 -0,300
715 -0,042 -0,011 -0,018
716 -0,020 0,048 -0,008
717 -0,006 -0,013 -0,157
718 -0,004 -0,054 0,026
719 -0,099 0,047 -0,062
720 -0,056 -0,013 -0.008
721 -0,062 -0,004 -0,104
722 -0,043 -0,001 0,023
723 -0,074 0,002 -0,051
724 -0,058 -0,016 -0,057
725 -0,065 -0,017 -0,173
726 -0,069 -0,010 -0,088
727 -0,046 -0,007 -0,130
728 -0,035 -0,008 -0,067
729 -0,041 -0,011 0.000
'. фазы может достигать 1 периода (одной длины волны) при полном
повороте на 360°. В связи с этим рекомендуется антенну АП, за ис-
ключением случаев, когда она установлена на подвижном объекте,
риентировать на север. При этом антенна НКА в любом случае будет
<уществлять медленное вращение вследствие вращения солнечных
а рей НКА, которые должны следить за Солнцем, так что взаимное
ашение приёмной и передающей антенн неизбежно. Особое внима-
ние следует уделить так называемым теневым участкам Земли (ТУЗ).
11ри выходе из зон ТУЗ НКА должен осуществить быстрое вращение
- я наведения солнечных батарей. При этом НКА может совершить
н оборот вокруг оси менее чем за 0,5 ч, поэтому фазовые измерения,
в лученные в такие моменты, должны быть либо скорректированы, ли-
сключены из обработки.
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
395
Величина поправки на закрутку фазы может быть рассчитана
по формуле [82]
Дер-sign© cos-'(^|),
(ll.13)
где sign(tz) — знаковая функция; $ = k • (D' х £>); • — скалярное произ-
ведение; х — векторное произведение; k — единичный вектор, опреде-
ляющий направление от НКА на АП; D' и D — векторы эффективных
диполей антенн НКА и АП.
При расчёте поправки для различных моментов времени необходи-
мо обеспечивать непрерывность измерения, т. е. добавлять при необ-
ходимости полное количество циклов +2л.
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
11.2.5. Атмосферные эффекты
Влияние ионосферной и тропосферной рефракции на ИТНП, а так-
же методы компенсации данных эффектов описаны в разд. 6.2. Однако
при использовании выражений (6.11) и (6.12) с целью исключения
величины 5тион необходимо учитывать, что для сохранения целочис-
ленного характера ПФН N используются линейные комбинации из-
мерений псевдофазы по радиосигналам в диапазонах LA Ф1 и L2 Ф2:
Kn,n$m,n ~ ШХ[Ф1 + /7Х2Ф2, (11.14)
где т, п — целые числа.
В результате формирования линейной комбинации (11.14) новое
измерение Фт>п характеризуется новым значением несущей часто-
ты fm^n, длины волны ПФН Nт^п и ионосферной задержки 5тион:
fm,n = mfi +nf2; (11.15)
Кп,п = ; (11.16)
tm,n “b / 2
Nm,n = mNi + nN2; (11.17)
+ «5тион = 5t‘oh . (11.18)
/2
Поскольку несущие частоты НКА ГЛОНАСС связаны соотношением
f 1//2 = 9/7, то формирование комбинационного измерения с коэффи-
циентами т = 9 и п = — 7 позволяет исключить влияние ионосферы.
При использовании радиосигналов НКА GPS для формирования ана-
логичной комбинации необходимо использовать коэффициенты т = 77
и п = —60.
396
Следует учитывать, что при формировании подобных комбини-
рованных измерений изменяется величины интервала однозначного
измерения псевдофазы. Безыоносферная комбинация (см. разд. 6.1)
для радиосигналов НКА ГЛОНАСС имеет длину волны 0,053 м, а для
НКА GPS она на порядок меньше — 0,0063 м. Поскольку данные
длины волн в несколько раз меньше длины волны несущих коле-
баний в диапазоне L1, то задача определения ПФН значительно
усложняется. Кроме того, использование масштабных коэффициентов
при формировании комбинированных измерений приводит к увеличе-
нию погрешностей, вызванных многолучевым распространением (8тмнл
и бфмнл) и аппаратурными шумами (е$, е$).
В разд. 6.3 описан общий подход к оценке влияния тропосферы
на величину задержки радиосигнала НКА, который предполагает, что
величина 8ттроп включает сухую и влажную составляющие и может
быть описана следующей зависимостью [80]:
S , / чя- тград (u) [Gc cos а + GB sin а] ... 1ПЧ
^^троп ^сух(9)5тсух + швл(и)5твл + ,(11.19)
где Wcyx(^), тм($) — функции отображения для сухой и влажной со-
ставляющей, зависящие от зенитного угла 9 линии визирования НКА
из точки расположения АП; 8тсух, 0твл — вертикальные сухая и влаж-
ная составляющие тропосферной задержки; тГрад($) — градиентная
функция отображения; Gc, Gb — компоненты горизонтальной гра-
диентной задержки в северном и восточном направлениях; а —угол
азимута, по которому был принят спутниковый сигнал.
Компоненты горизонтальной градиентной задержки Gc и Gb до-
стигают значений порядка 0,005 м в средних широтах, поэтому учёт
третьего слагаемого в (11.19) имеет смысл только при углах места
9 < 15°. В связи с этим на практике вместо (11.19) можно исполь-
зовать упрощенное выражение для расчёта тропосферной задержки
сигнала:
^ТТроп = ^сух(9)0ТСух + швл(9)8твл. (11.20)
Поскольку решение задачи высокоточного определения местополо-
жения потребителя в основном осуществляется в условиях отсутствия
метеорологических данных, то для нахождения величин отобража-
ющих функций вместо моделей Хопфилда и Саастамоинена может
использоваться модель Нейла [26]. Основным отличием данной мо-
дели является сравнимая с первыми моделями точность оценки «су-
хой» компоненты на основании данных о дне года D, широте В
и высоте Н АП над уровнем моря с помощью следующих выра-
жений:
8тсух = e-°’0001I6ft; (Н21)
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
397
. , D)
m ($) =______________l + cj^D)
m^v> a(B,D)
C0S,°+ „ b(B,D)
C0S +cosfl + c(B,D)
а-н \
Ь_н
1 ±£н
cos 19 cos fl +-------------------
а Ьн
cos fl н---------- /
COS fl + C/y /
1
(11.22)
&ВЛ
^BJI
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
mM(6) =
________________1 I LBJI______
A ,_____________^ВЛ
COS V 4---------------г-------
Q
COS V 4--------------
cos $ + свл
a(B, D) = a-ap cos (2л ;
\ 000.^0 /
6(B,C) = 6-^eo5(2^);
c(B,D) = c-cp cos^^-g),
(11.23)
(11.24)
где mcyx('!)), mM(i3) — отображающие функции для сухой и влажной
составляющих вертикальной тропосферной задержки; а, Ь, с —сред-
ние коэффициенты отображающей функции для сухой составляющей;
«р, ЬР, ср — амплитудные коэффициенты отображающей функции су-
хой составляющей; ан = 2,53 • 10-5, Ьн = 5,49 • 10“3, Сн = 1,14 • 10-3 —
высотные коэффициенты отображающей функции сухой составля-
ющей; ам, &м, свл — коэффициенты отображающей функции влаж-
ной составляющей (табл. 11.5); Dq — начальный день года (прини-
мают £>о = 28 в Южном полушарии и Do = 211 в Северном полу-
шарии).
В силу того что сухая составляющая тропосферы обладает вы-
сокой временной стабильностью и хорошо предсказывается, значе-
ние шсух(-0)отсух может быть вычислено по формулам (11.21), (11.22)
и (11.24) и учтено при расчете значения R. При этом влажная со-
ставляющая вертикальной тропосферной задержки 5твл включается
в вектор оцениваемых параметров и с учётом значений отображающей
функции Швл('й) определяется в ходе решения навигационной задачи.
11.2.6. Аппаратурные задержки
В бортовой аппаратуре НКА происходят фазовая бфнкл и груп-
повая Бтнка задержки навигационного радиосигнала, которые свя-
заны соотношением сбтнкд = ^бфнкл- Данное соотношение позволяет
рассматривать вопросы влияния групповой задержки на измерения
псевдодальности и псевдофазы. Величина задержки определяется как
398
Коэффициенты отображающих функций
Таблица 11.5
Коэффициент Широта В, град
15 30 45 60 75
а 1,2769934- 10“3 1,2683230- 10~3 1,2465397 - 10”3 1,2196049- 10"3 1,2045996 - 10-3
ь 2,9153695- 10”3 2,9152299 • 10-3 2,9288445- 10"3 2,9022565-10”3 2,9024912- 10"3
с 62,610505 • 10-3 62,837393 • IO”3 62,721774 • 10“3 62,824265- 10"3 62,258455- 10“3
ар 0,0 1,2709625- 10~5 2,6523662- 10"5 3,4000452 • 10~5 4,1202191 •10-5
ьр 0,0 2,1414979 • 10-5 3,0160779-10"5 7,2562722-10“5 11,723375- 10"5
Ср 0,0 9,0128400- 10”5 4,3497037 • 10“5 84,795348 • 10"5 170,37206- 10“5
^ВЛ 5,8021897- 10“4 5,6794847- 10"4 5,8118019- IO"4 5,9727542- 10"4 6,1641693- IO"4
^вл 1,4275268- 10”3 1,5138625 • 10-3 1,4572752- 10-3 1,5007428 • 10-3 1,7599082- 10"3
£вл 4,3472961 • IO"2 4,6729510-10-2 4,3908931•IO"2 4,4626982 • IO”2 5,4736038-10-2
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
разница между моментами времени излучения радиосигнала (измеря-
ется в фазовом центре передающей антенны НКА) и формирования
сигнала в БСУ НКА.
Групповая задержка навигационного радиосигнала в бортовом
источнике навигационного сигнала (БИНС) определяется конфигу-
рацией бортового оборудования. Поскольку БИНС НКА построен
по модульному принципу с физическим резервированием, то раз-
личные комбинации бортовых приборов из разных полукомплектов
бортовой аппаратуры могут характеризоваться различной задержкой
времени прохождения радиосигнала. Производители НКА стремятся
обеспечить постоянство значения задержки при использовании раз-
ных комбинаций бортовых приборов на конкретном НКА, на типе
НКА и для всей орбитальной группировки. Однако на практике зна-
чение подобной задержки может достигать 12 нс [26] и варьироваться
в переделах 2 нс для различных комбинаций приборов на борту одно-
го НКА.
При учете детерминированной составляющей групповой задержки
при обработке двухчастотных измерений необходимо учитывать, что
групповые задержки для радиосигналов в диапазонах L1 и L2 также
различаются. В составе навигационного сообщения НКА GPS вели-
чина групповой задержки для радиосигнала на частоте L1 передаётся
как параметр Гор. Величину задержки радиосигнала на частоте L2
можно оценить с помощью выражения [35]:
8тнка,т2 =
(11.25)
При обработке ИТНП радиосигналов НКА ГЛОНАСС необходи-
мо учитывать наличие в составе БИНС режекторного фильтра в диа-
пазоне L1, который существенно влияет на значение групповой за-
держки радиосигнала 6тнка,ы- Поскольку выражение (11.25) нельзя
использовать для определения связи между групповыми задержка-
ми Отнкад! и 6thka,l2 радиосигналов с частотным разделением НКА
ГЛОНАСС, в составе навигационного сообщения НКА ГЛОНАСС
передаётся значение разности задержек в виде слова Ат„.
В модели (11.1) и (11.2) кроме аппаратурных задержек в борто-
вой аппаратуре НКА входят величины фазовой Бер и групповой 6тпрм
задержек радиосигналов в АП, аналогичные по природе задержкам
в бортовой аппаратуре. При обработке ИТНП радиосигналов НКА
GPS, излучаемых всеми НКА на общей несущей частоте, данные за-
держки могут рассматриваться как дополнительное смещение ШВП
относительно СШВ и включаться в величину 5/швп без какого-либо
ущерба для точности определения координат потребителя.
Отличная ситуация складывается при обработке ИТНП радиосиг-
налов с частотным разделением НКА ГЛОНАСС, поскольку в этом
случае групповая задержка радиосигналов на различных частотах
в одном диапазоне различна. Общепринятой является линейная мо-
400
дель аппаратурной задержки для радиосигнала НКА на несущей ча-
стоте с литерой i [12]:
бтпрмл/ = 5т/ + Ду, (11.26)
где 5тj — задержка радиосигнала на нулевой частотной литере в соот-
ветствующем диапазоне частот; / —частотный диапазон (1 — для LA,
2 —для L2); Ду — поправка, учитывающая изменение задержки от ча-
стоты.
Очевидно, что для ИТНП радиосигналов НКА ГЛОНАСС задерж-
ка на нулевой литере Оту будет общей и ее целесообразно включить
в 6/швп, а величину Ду — в число оцениваемых параметров. Безуслов-
но, увеличение количества неизвестных при решении навигационной
задачи усложняет данный процесс, но поскольку величины Ду по-
стоянны на протяжении всего навигационного сеанса, то расширение
вектора оцениваемых параметров не должно значительно усложнить
алгоритм.
Завершая рассмотрение влияния аппаратурных задержек ИТНП
следует отметить, что алгоритмы решения навигационной задачи пред-
полагают получение максимально правдоподобных оценок коорди-
нат по аналогии с (8.16), что справедливо в условиях, когда ИТНП
подчиняются нормальному закону распределения. При этом особую
важность приобретает корреляционная матрица первичных ИТНП.
На первоначальных этапах развития алгоритмов высокоточного опре-
деления местоположения разработчики работали в условиях априор-
ного допущения, что погрешности ИТНП для всех НКА одинаковы
и составляют 0,3 м (СКО) для псевдодальности и 0,003 м (СКО) для
псевдофазы. При выполнении высокоточных навигационных опре-
делений в АП существует возможность более точного расчёта кор-
реляционной матрицы за счёт использования данных об отношении
сигнал/шум и параметров коррелятора АП, например, с помощью
выражений (6.19) и (6.20).
Разности начальных фаз НКА и АП являются постоянными на не-
прерывном сеансе навигационных определений, поэтому их можно
включить в значение поправки Ду при обработке ИТНП радиосиг-
налов НКА ГЛОНАСС. В случае работы по измерениям по НКА
GPS возможны два подхода. Первый заключается в пренебреже-
нии целочисленным характером ПФН N путём включения в него
величины расхождения начальных фаз. Второй подход предполага-
ет введение разности начальных фаз в число оцениваемых параметров
по аналогии с поправкой Ду. Последний подход представляется пред-
почтительным, поскольку дополнительная неизвестная является также
постоянной величиной на всём сеансе навигационных определений,
а также позволяет сохранить возможность обработки измерений псев-
дофазы с целью определения ПФН.
В связи с тем что многолучевое распространение сигнала —один
из важнейших факторов, определяющих не только погрешность нави-
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений навигационных параметров
401
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
гационных определений, но и возможность их получения, то вопрос
об учете ее влияния нельзя обойти. При том, что законы измене-
ния погрешности, приобретаемой в результате приёма переотражённых
сигналов, являются сложными полиномами, для параметров много-
лучевого распространения в случае стационарного потребителя ха-
рактерно медленное изменение во времени. Более подробно вопрос
минимальной длительности интервала наблюдения для получения пер-
вого решения рассмотрен далее. Воспользуемся лишь результатами,
которые свидетельствуют о том, что высокоточные координаты мо-
гут быть получены на временном интервале порядка 15...30 минут.
В случае стационарного потребителя изменение многолучевого рас-
пространения обусловлено лишь движением НКА относительно АП,
что на интервалах такой длительности является незначительным. Сле-
довательно, можно предположить, что значение дополнительной за-
держки/фазового сдвига будет постоянно. Таким образом, можно либо
пренебречь влиянием многолучевого распространения, либо учесть его
в поправке Ду. Опытные потребители осведомлены о влиянии данного
эффекта на качество работы АП и стараются проводить навигацион-
ные сеансы в условиях, когда влияние этого эффекта минимально.
Поскольку основными сферами применения технологии высокоточ-
ного определения местоположения являются геодезия, сельское хо-
зяйство, дорожное строительство, добыча полезных ископаемых, т. е.
приложения, в которых потребитель работает в основном на откры-
той местности, подобные допущения в большинстве случаев являются
оправданными.
11.2.7. Уточнённые модели первичных измерений
При решении задач вторичной обработки ИТНП с целью высоко-
точного определения координат все указанные в подразд. 11.2.2—11.2.6
факторы необходимо учитывать при расчёте геометрической дально-
сти Я. С учётом данного обстоятельства модели (11.1) и (11.2) можно
представить в следующем виде:
5 = Я + с[5/щвп + ^вл($)отвл + Ду] + е$', (11.27)
ХФ = R + с[5/швп + ^вл(Ф)§твл + А/] + + еФ- (11-28)
При совместной обработке ИТНП радиосигналов НКА различных
ГНСС, например ГЛОНАСС и GPS. необходимо учитывать расхож-
дение показаний шкал времени данных систем. Полагая, что опорной
шкалой времени является шкала ГЛОНАСС, выражения для ИТНП
радиосигналов НКА GPS с учётом допущений подразд. 11.2.6 следует
записать в следующем виде:
5 = R + с[5/швп + 5/gps + ww(^)6tm] + es, (11.29)
ХФ = Я + с[5/швп + 5/gps + швл(1))5твл] + X/V + вф, (11.30)
где 5/gps — расхождение шкал времени ГЛОНАСС и GPS.
11.3. Высокоточное определение
местоположения
Сбор данных
Сервер обработки
Координаты
оценки точности
11.3.1. Расширенный вектор состояния потребителя
Совместное использование двух, а в перспективе нескольких ГНСС
позволяет повысить эффективность алгоритмов высокоточного опре-
деления координат за счёт избыточности измерений, но одновременно
требует корректного учёта всех входящих в выражения (11.27)—(11.30)
еизвестных.
В общем случае вектор оцениваемых параметров можно предста-
ть в виде
Р= [X, б/швп, 8Zgps, А, 5тм, ХАТ, (11.31)
где X = [X, У, Z, Vx, Vy, Vz, ах, ау, аг]т — вектор параметров вектора
состояния потребителя; А = [Д1 ... Дм]т — вектор поправок, учиты-
вающих изменение задержки радиосигналов НКА ГЛОНАСС от ча-
стоты; ХА/' —вектор ПФН псевдофазовых измерений; М — количество
НКА. ГЛОНАСС, используемых в ходе навигационного сеанса.
При обработке ИТНП подвижного потребителя в состав оценива-
емых параметров необходимо также включать параметры, учитываю-
щие динамику объекта. В ряде практических задач также учитывают
•араметры ухода ШВП и изменение условий распространения радио-
волн в тропосфере. В общем случае состав оцениваемых параметров
определяется принятой моделью прогноза.
11.3.2. Обработка первичных измерений в реальном времени
В общем случае связь между вектором оцениваемых параметров Рп
в момент времени tn и результатами ИТНП S„ в соответствии с урав-
нениями (11.29) и (11.30) является нелинейной и может быть описана
авнением вида
Sn = Rn(Pn) + en, (11.32)
ie Rn(Pn) — функция связи.
При этом на практике для решения задач НВО используются
фильтры Калмана, позволяющие получить оценки методом максимума
11.3. Высокоточное определение местоположения
403
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
апостериорной вероятности при линеаризованной модели (11.32):
S„=«„(A„) + ^^(P„-P„)+e„ (11.33)
Здесь Рп — оценка вектора состояния потребителя, полученная в пре-
дыдущий момент времени с помощью модели прогноза; еп — вектор
дискретных взаимно некоррелированных шумов с нулевыми средними
и корреляционной матрицей Wn.
В условиях, когда потребитель не совершает сложных манёвров,
для прогнозирования значений вектора состояния целесообразно ис-
пользовать линейную модель (см. подразд. 11.2.4)
Л+1 = СР„ + Е, (11.34)
где С — переходная матрица; е — вектор дискретных взаимно некор-
релированных шумов с нулевыми средними и корреляционной матри-
цей Q.
В начальный момент времени производится оценка координат
потребителя Pq с использованием однозначных измерений псевдо-
дальности и корреляционной матрицы их погрешностей Wo. В лю-
бой последующий момент времени tn алгоритм оценивания включает
процедуры уточнения прогнозных значений вектора Рп с помощью
выражения (11.33) и экстраполяции значений вектора оцениваемых
параметров на следующий момент времени в соответствии с (11.34).
Уточнение прогнозных значений включает процедуры:
• вычисления значений вектора невязок измеренных и расчётных
значений текущих навигационных параметров
y„ = S„-/?„(?„); (11.35)
• формирования матрицы связи
Нп = (11.36)
• определения корреляционной матрицы
к„= (к;1+Ят1У"1Я)-1; (11.37)
• определения текущих оценок координат
Pn = Pn + KnITW^Yn-, (11.38)
• прогнозирования значений координат Рп+\ и корреляционной
матрицы Кп+1 на следующий момент времени:
Рп+1=СРп, (11.39)
Kn+l = СКпС + Q. (11.40)
404
Полученные в текущий момент tn прогнозные оценки вектора со-
стояния Рп+\ и их корреляционная матрица Кп+\ используются в сле-
дующий момент времени в качестве исходных данных для последую-
щей оценки в соответствии с (11.35)—(11.40).
Поскольку высокоточное определение местоположения использу-
ется преимущественно при проведении геодезических работ и созда-
нии банков геопространственных данных, наибольший интерес пред-
ставляет модель прогноза для потребителя, не совершающего слож-
ных манёвров. Для таких случаев упрощается вектор состояния X =
= [X, Y, Z, Vx, Vy, VZ]T и можно использовать следующую модель [9]:
(/X _ ,, dY _ ., dZ _ ..
~dt~Vx' ~dt~Vy' ~dt~Vz'
^ = -avVx + nx(t), ^ = -avVy + ny(t), ^ = -«vVz + nz(t),
ex e ex e ex e
где nx(t), ny(t), nz(t) — независимые белые гауссовские шумы с нуле-
выми средними и спектральной плотностью Му/2; ау — коэффициент
пропорциональности.
Матричный элемент Сх матрицы прогноза С в дискретном времени
в соответствии с (11.39) имеет вид
(11.42)
где Е — единичная матрица размера 3x3; 0 — нулевая матрица раз-
мера 3x3; Т — диагональная матрица размера 3x3 диагональным
элементом, равным периоду взятия отсчётов Т.
Матричный элемент QA корреляционной матрицы Q с учётом мо-
дели (11.41) может быть определён путём взятия интеграла:
Qx —
Р21Д
Р12-С
Р22Д
° 1 [°
— 0
2-11
ет
e-aVT
б/т. (11.43)
11.3. Высокоточное определение местоположения
0
Рассматривая процесс изменения показаний БШВ как винеровский,
можно использовать простую модель прогноза [9]
^5/швп = «швп(0,
(11.44)
где «швп(0 — независимые белые гауссовские шумы с нулевыми сред-
ними и спектральной плотностью Л^швп/2. Значение Л/швп выбирают
на основе данных о спектральной плотности фазовых шумов опорного
генератора приёмника.
Поскольку определение величин расхождения системных шкал
времени 5/gps и влажной составляющей вертикальной тропосфер-
ной задержки 5твл не является основой задачей при высокоточных
навигационных определениях, для описания процесса их изменения
405
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
также можно использовать винеровскую модель прогноза, аналогич-
ную (11.42), т. е. производная данных процессов будет белым гауссов-
ским шумом с нулевым средним. Поскольку СШВ ГЛОНАСС и GPS
формируются высокостабильными стандартами времени, то спектраль-
ная плотность фазовых шумов Ngps/% будет существенно меньше
А/ьшв/2. Величина спектральной плотности шума Атроп/2 процесса
изменения 5твл определяется скоростью изменения состояния тропо-
сферы и достигает максимальных значений в условиях сильного ветра
и осадков. Таким образом, элементы матрицы перехода для данных
величин будут равны 1, а диагональные элементы корреляционной
матрицы Q примут значения дисперсий Ngps Т/2 и jVTpon Т/Ъ соответ-
ственно.
В соответствии с принятыми допущениями о постоянстве аппара-
турных задержек Д и ПФН X.V матрицы перехода для данных величин
будут единичными соответствующей размерности.
С учётом (11.43) уравнение (11.39) можно записать в следующем
виде:
“ Сх 0бх1 0бх1 ОбхМ 0бх1 0бх(М+/)
01x6 1 0 01хЛ4 0 01 х(Л4+/)
01x6 0 1 01хЛ4 0 01 Х(Л4+/) Р
0д4х6 0мх1 0мх1 Емхм 0/Их1 Ол4х(Л4+/)
01x6 0 0 01ХЛ4 1 01 х(Л4+/)
_0(М+/)х6 0(М+/)х 1 0(М+/)х1 0(М+/)хМ 0(М+/)х1 £(M+/)x(M+/)_
(11.45)
где Ем — единичная матрица размера М х Л4; 0^X(M+/) — нулевая мат-
рица размера М х (М + 1)', / — количество НКА GPS, используемых
для навигационных определений.
Корреляционная матрица прогноза
Qx Обх 1 0бх1 0бхЛ4 Обх 1 0бх(М+/)
01x6 2 0 01хЛ4 0 01 х(М+1)
A^gps^
Q = 01x6 0 2 01хЛ4 0 01х(Л4+/) . (11.46)
0д4х6 0д4х1 0мх1 0мхЛ4 0мх1 0д4х(М+/1
01x6 0 0 01 хМ Мроп Т 2 01х(Л4-Ь/)
_0(М+/)х6 0(Л4+/)х 1 0(Л1+/)х1 0(М+1)хМ 0(Д4+/)х1 0(М+/)х(М+/)_
Сложный блочный вид также имеет матрица связи Нп, рассчиты-
ваемая на основе прогнозных значений Рп в соответствии с (11.27)—
(11.30) и (11.36):
[HSM сЕмх 1 0мх1 0л(хЛ1 о-троп ПМх1 О/ИхМ Омх/
нп = tq tq сЕмх 1 cEjxA OmxI c£/xi сЕмхм 0/xM о-троп ПМх1 ггтроп ^/xl Емхм 0/хМ 0л/х/ 0/х/ . (11.47)
н? cEi-хл 0/хМ ггТрОП **7x1 0/хЛ1 Eixi _
406
Здесь — матрица связи для измерений псевдодальности
по радиосигналам НКА ГЛОНАСС (А4) и GPS (/) соответственно;
Ямщ = — матрица связи для измерений псевдофазы по радио-
сигналам НКА ГЛОНАСС (М.) и GPS (I) соответственно; ~
вектор-столбец, элементами которого являются значения отображаю-
щей функции mBJI(f>) для соответствующего НКА.
11.3.3. Апостериорная обработка первичных измерений
При апостериорной обработке ИТНП точность НВО может быть
повышена по сравнению с режимом оценивания координат в реальном
времени за счёт использования высокоточных апостериорных значе-
ний ЭВИ (см. разд. 11.2.1), а также возможности получения оценок
координат при фильтрации в прямом и обратном порядке следования
отсчётов ИТНП.
Алгоритм получения апостериорных оценок координат включает
два этапа. На первом этапе ИТНП подвергаются обработке в пря-
мом порядке следования отсчётов по аналогии с режимом реального
времени. Второй этап заключается в дополнительной фильтрации оце-
нок координат, полученных в крайний момент времени /дг, в обратном
порядке следования отсчётов ИТНП.
Дополнительная фильтрация также выполняется путём последова-
тельной коррекции прогнозных оценок координат, полученных по дан-
ным на предыдущий момент времени, по массиву ИТНП на текущий
момент времени.
Повторное уточнение прогнозных значений координат предполага-
ет, что в начальный момент времени известны оценки координат PN
и их корреляционная матрица Kn- Для оценки координат в предыду-
щий момент времени используется обратная модель прогноза (11.34):
Рп = С~1(Рп+1 + еп). (11.48)
Алгоритм дополнительной фильтрации ИТНП включает следующие
процедуры:
• вычисления значений вектора невязок измеренных и расчётных
значений текущих навигационных параметров
Yn = Sn-Rn(Pny, (11.49)
• формирования матрицы связи
Нп = ^ (11.50)
п
• определения корреляционной матрицы
к„= (к;1 +Ят1Г-1я)’1 ; (11.51)
11.3. Высокоточное определение местоположения
407
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
• определения текущих оценок координат
Pn = Pn + KnITW;lYn, (11.52)
• прогнозирования значений координат P„_i и корреляционной
матрицы на следующий момент времени:
Рп_}=С~{Рп, (11.53)
кп^ = С-\Кп + О){СГ{. (11.54)
Поскольку предложенные выше алгоритмы оценки координат в реаль-
ном времени и при апостериорной обработке предполагают исполь-
зование массивов ИТНП, полученных на неком временном интерва-
ле, то большинство потребителей интересует зависимость погрешно-
сти навигационных определений от длительности интервала наблю-
дения. Экспериментальные результаты, позволяющие сформировать
мнение о возможностях представленных алгоритмов, рассматриваются
в подразд. 11.2.4.
11.3.4. Характеристики алгоритмов высокоточных
навигационных определений
Наиболее эффективно использовать технологии высокоточных на-
вигационных определений при решении задач определения абсолют-
ных координат неподвижного потребителя. Поскольку наибольший
интерес представляют потенциально достижимые характеристики опи-
санных алгоритмов, то практическое исследование должно произ-
водиться в условиях, максимально близких к идеальным, т. е. воз-
можность приёма радиосигналов всех видимых НКА при углах места
выше 10° при отсутствии влияния многолучевого распространения
радиосигналов НКА. Аналогичные требования предъявляются к спе-
циальным измерительным пунктам СДКМ, поэтому для исследования
зависимости точности навигационных определений от длительности
интервала наблюдения ИТНП в качестве потребителя была выбра-
на ССИ СДКМ, расположенная в ФГУП «Всероссийский научно-
исследовательский институт физико-технических и радиотехнических
измерений».
Результаты высокоточной оценки координат станции при использо-
вании интервалов наблюдения различной длительности, которые так-
же подтверждают возможность получения оценок координат потреби-
теля с погрешностью на уровне нескольких сантиметров, приведены
на рис. 11.3. При расчётах использовалась ЭВИ НКА ГЛОНАСС
и GPS, полученная по результатам апостериорной обработки первич-
ных измерений глобальной сети СДКМ и федеральной астрономо-
геодезической сети. В обработку были включены измерения псевдо-
дальности и псевдофазы по радиосигналам НКА ГЛОНАСС и GPS
в диапазонах LI и L2. Для эксперимента использовали измерения,
полученные в сентябре 2010 г.
408
Рис. 11.3. Зависимость погрешности определения
координат потребителя от длительности интервала
накопления ИТНП
В подразд. 11.2.2 отмечено, что определение влажной составляю-
щей вертикальной тропосферной задержки 5твл и вектора поправок Д
не является приоритетной задачей высокоточного определения коор-
динат, однако длительные непрерывные наблюдения позволяют ис-
следовать поведение тропосферы, а данные о векторе Д могут быть
использованы в качестве априорной информации при проведении по-
следующих навигационных сеансов.
Зависимость изменения величины с5тм на интервале с 0: 00 16 ок-
тября до 23: 59 18 октября 2012 г., полученная в результате навигаци-
онных определений станции, расположенной в центре СДКМ на терри-
тории ОАО «Российские космические системы», от времени приведена
на рис. 11.4.
16 октября 2012 г. 17 октября 2012 г. 18 октября 2012 г.
Рис. 11.4. Зависимость величины сОтвд от времени
11.3. Высокоточное определение местоположения
Данный временной интервал выбран для наглядной демонстрации
изменения величины задержки радиосигналов НКА при различных по-
годных явлениях в тропосфере, поскольку 16 октября 2012 г. был
безветренный день со средней облачностью, а 18 октября 2012 г. в те-
чение дня был ливень, завершившийся в конце дня.
409
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
В ходе того же навигационного сеанса была получена зависимость
вектора поправок Д (межканальных задержек) для радиосигналов
НКА ГЛОНАСС, представленная на рис. 11.5. Полученный результат
Номер орбитальной позиции
Номер частотной литеры
Рис. 11.5. Зависимость задержки радиосигналов НКА ГЛОНАСС от литерной
частоты
Поскольку алгоритмы, описанные в подразд. 11.2.2 и 11.2.3, поз-
воляют определять координаты подвижных потребителей, на терри-
тории аэродрома «Раменское» (рис. 11.6) была проведена оценка
точности определения координат потребителя при движении с ма-
лой динамикой (скорость не выше 20 км/ч). На территории аэродрома
была развёрнута базовая станция, которая обеспечивала построение
опорной траектории движении потребителя за счёт реализации ре-
жима высокоточных относительных навигационных определений RTK
(см. гл. 8). Результаты сравнения оценок координат подвижного по-
требителя (рис. 11.7) показывают, что отклонение оценок координат
в режиме абсолютного высокоточного местоопределения от опорной
траектории не превышает 0,06 м в плане и 0,15 м (СКО) по высоте.
Рис. 11.6. Траектория движения потребителя
по территории аэродрома «Раменское»
410
Время
б
0,20
0,15
go,10
о
§0,05
Л
СЦ
0,00
-0,05
08:51 09:21 09:51 10:21 10:51
Время
Рис. 11.7. Разность оценок плановых координат (а, в) и высоты (б, г) подвижного потребителя в абсолют-
ном режиме (а, б) и в режиме высокоточного определения местоположения (в, г) относительно значений,
полученных в режиме RTK
11.3. Высокоточное определение местоположения
Глава 11. Высокоточные навигационные определения
11.3.5. Разрешение неоднозначности псевдофазовых измерений
Рассмотренные выше алгоритмы и результаты оценки координат
потребителя не учитывают целочисленного характера вектора ПФН
ХМ. Опыт практической реализации алгоритмов относительных нави-
гационных определений показывает, что определение целочисленных
значений ПФН позволяет сократить время поиска главного макси-
мума многомодальной функции правдоподобия (8.16). В связи с этим
приоритетным направлением развития технологий абсолютной высо-
коточной спутниковой навигации является разработка процедур цело-
численного разрешения неоднозначности псевдофазовых измерений,
которые получили название Integer PPP [82, 83]. Основным отличием
данного режима является учёт целочисленного характера неоднознач-
ности путём разделения параметров вектора ХМ на составные части
с целью выделения целочисленной неоднозначности в отдельную пе-
ременную. Такой приём позволяет разделить остаточные погрешности
оценки систематических смещений, описанных в разд. 11.2. В насто-
ящее время однозначного решения задачи определения ПФН не по-
лучено и активно разрабатываются два подхода к реализации режима
Integer PPP для обработки радиосигналов с кодовым разделением.
Первый подход основан на обработке безыоносферной псевдофа-
зовой комбинации (11.14):
/ f2\
[ TJ ) ^1 $1 — ^2 ($2 + М?)
= — 7^-----------------> (11 -55)
I TL I - 1
I f2 1 1
\ /2 /
где Nq — ПФН кодово-фазовой комбинации Мельбурна — Вуббена.
Поскольку полностью компенсировать задержки в бортовой аппа-
ратуре НКА и приемнике АП не удаётся, то остаточные погрешности
данных величин входят в состав вещественной оценки Nq, которую
получают на первом этапе обработки ИТНП:
Nq = Nq + ^Прм “ ^НКА- (11.56)
Здесь Ьпрм — остаточные смещения в АП; &нка — остаточные смещения
в бортовой аппаратуре НКА.
Разделение величин Ьпрм и &нка обусловлено тем, что глобальная
сеть измерительных станций позволяет помимо точной ЭВИ сфор-
мировать оценки величины &нка Для всей орбитальной группировки
и передать вектор данных смещений потребителю. С учётом оценки
смещения ЬНка величина ПФН Nq определяется в ходе процедуры
фильтрации (11.35)—(11.39) путём округления оценки Nq до ближай-
шего целого. Известное значение Nq позволяет уточнить значения век-
тора невязок Yn и повторить процедуру получения оценки координат.
В работах [82, 84] показано, что время сходимости существенно
сокращается по сравнению со случаем оценки действительной неод-
нозначности. Основное отличие данного алгоритма обработки связано
412
с тем, что в данном случае необходимо использовать ЭВИ, которая
содержит так называемые фазовые часы, т. е. смещения БШВ НКА
относительно СШВ, относящиеся к измерениям псевдофазы и учи-
тывающие целочисленную природу ПФН измерений псевдофазы. При
этом кодовые часы, т. е. смещение БШВ НКА относительно СШВ,
относящиеся к измерениям псевдодальности, не используются в ре-
шении вообще.
При реализации второго подхода используются отличные от (11.27)
и (11.28) модели измерений с разделёнными часами (decoupled clock
model):
*5 — R + с [5/щвп — ST'biiib + ^влСЮ^вл] + ^s'i (11-57)
ХФ = R + с[6/щВ[-[ — + твл (т&)5"Свл ] + ХМ + е$, (11.58)
где 5/щВП, 6/щВП — смещения ШВП относительно СШВ в измерениях
псевдодальности и псевдофазы; 57щВП, 57щВП — смещения БШВ НКА
относительно СШВ в измерениях псевдодальности и псевдофазы.
Причина такого разделения временных поправок обусловлена тем
фактом, что при общих временных поправках в моделях (11.27)
и (11.28) погрешность измерения псевдо дальности оказывает суще-
ственное влияние на оценку ПФН, что негативно сказывается на пе-
риоде сходимости оценок координат потребителя. В моделях изме-
рений (11.57) и (11.58) влияние погрешностей измерения по огиба-
ющим колебаниям на измерения псевдофазы не учитывается. При
этом разделение поправок на кодовые и фазовые, включающие в се-
бя немоделируемые смещения в измерениях, позволяет рассматривать
ПФН как целое число. Для повышения стабильности решения система
уравнений дополняется уравнениями комбинации Мельбурна — Вуб-
бена (11.56), а к числу оцениваемых величин добавляется ПФН Nq.
В процессе фильтрационного оценивания для системы обрабаты-
ваемых уравнений используются поисковые процедуры, основанные
на минимизации квадратичной формы в целых числах с применени-
ем целочисленного унимодулярного преобразования [54]. Указанные
разделённые временные поправки по псевдодальности, псевдофазам
и комбинации Мельбурна — Вуббена формируются по глобальной или
региональной сети опорных станций и доставляются потребителю.
В заключение следует отметить, что развитие методов высокоточ-
ных навигационных определений с учётом целочисленного характе-
ра ПФН является одной из важнейших задач современного этапа
развития ГНСС, поскольку обеспечивает достижения принципиально
нового уровня точности НВО. Вместе с тем оба рассмотренных подхо-
да требуют наличия глобальной сети опорных станций формирования
ИТНП, по которым может быть вычислена необходимая для режима
Integer PPP ЭВИ, учитывающая целочисленную природу неоднознач-
ности псевдофазы, что требует создания глобальной инфраструктуры
высокоточного НВО.
11.3. Высокоточное определение местоположения
Глава 12
КОМПЛЕКСЫ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ДОПОЛНЕНИЙ ГНСС
для высокоточных
НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ
12.1. Место высокоточных комплексов
функциональных дополнений ГНСС
в системе навигационного обеспечения
потребителей
В главе 11 рассмотрен метод абсолютного высокоточного опреде-
ления координат, неоспоримым достоинством которого является воз-
можность получения точности навигационных определений, сопоста-
вимой с точностью в режиме относительных определений (см. разд. 8.4),
без необходимости развёртывания одиночной базовой станции или се-
ти подобных станций. Относительная сложность алгоритма, присущая
этому методу определения координат, в настоящее время не являет-
ся серьёзным ограничением для его практической реализации в АП,
поскольку на современном уровне развития микроэлектроники полный
объём вычислений можно выполнить непосредственно в ней. При этом
потребителю не нужно создавать сложную наземную инфраструкту-
ру системы относительных навигационных определений для достиже-
ния точностей, которые можно получить методом абсолютных высоко-
точных навигационных определений. Это позволяет использовать АП
в самых различных видах деятельности.
Требования к высокоточному навигационному обеспечению,
предъявляемые при различных видах деятельности
Вид деятельности
Среднеквадратическая
погрешность, м
Дорожные строительные работы ...................... 0,03—0,05
Землечерпательные и дноуглубительные работы ....... 0,1—0,4
Оперативный мониторинг состояния железнодорожных
путей ............................................. 0,05
Строительство и ремонт железнодорожных путей .. ___ 0,03
Уравнивание геодезических сетей .................... 0,03—0,05
12.1. Место высокоточных комплексов функциональных дополнений ГНСС в системе навигационного обеспечения потреб!
415
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Установка знаков СГС ............................. 0,03
Кадастровые работы, межевание .................... 0,03
Актуализация карт и планов .......... ... ........ 0,1—0,3
Высокоточное мелкосеменное земледелие ............ 0,1
Высокоточное крупносеменное земледелие ........... 0,05
Мониторинг и управление лесными ресурсами ...... 0,1
Мониторинг водных ресурсов ....................... 0,1
Добыча полезных ископаемых ....................... 0,1
Кроме отличий в требованиях к точности навигационных определе-
ний для каждой группы потребителей существуют отличия и в условиях
применения АП. Так, в сельском хозяйстве она используется преиму-
щественно на открытой местности, а в жилищно-коммунальном хозяй-
стве — зачастую в условиях плотной городской застройки. Установка
АП на воздушные суда, в особенности на вертолёты, требует разработ-
ки средств дополнительной виброзащиты и т. п. Несмотря на довольно
широкий разброс условий эксплуатации, алгоритм высокоточных на-
вигационных определений в АП является общим для всех перечислен-
ных задач, а достижение заданного уровня точности обеспечивается
за счёт длительности сеанса навигационных определений. Предвари-
тельные исследования (см. подразд. 11.2.4) показывают, что удовле-
творить требования различных категорий потребителей по точности
определения местоположения можно тремя видами услуг, предостав-
ляемых комплексом функционального дополнения (КФД) (рис. 12.1):
1) с погрешностью 0,1 м (СКО) в реальном времени;
2) с погрешностью 0,05 м (СКО) с начальной инициализацией;
3) с погрешностью 0,03 м (СКО) в апостериорном режиме.
Вследствие большой протяженности Российской Федерации внед-
рение технологии высокоточных абсолютных навигационных опреде-
лений — одна из приоритетнейших задач развития функциональных до-
полнений ГЛОНАСС.
Созданные в различных российских научных центрах програм-
мные комплексы высокоточного апостериорного определения эфеме-
рид и ЧВП позволили начать отработку данной технологии в сере-
дине XX века. Поскольку эти работы совпали по времени с восста-
новлением орбитальной группировки ГЛОНАСС, которая является
единственной реально действующей альтернативой GPS, то междуна-
родное научное сообщество провело модернизацию глобальной сети
станций IGS с целью формирования ИТНП по радиосигналам НКА
ГЛОНАСС. Созданная сеть позволила отечественным специалистам
впервые получить набор ИТНП на всем протяжении времени дви-
жения НКА на орбите и оценить погрешность прогнозирования ЭВИ
НКА ГЛОНАСС. В то же время стало очевидно, что для предоставле-
ния гарантированных услуг высокоточных навигационных определений
потребителям ГЛОНАСС необходимо создать собственную глобаль-
ную сеть ССИ, которая позволит гарантированно формировать мас-
сивы ИТНП, необходимые для высокоточного прогнозирования ЭВИ.
416
Погрешность определения
местоположения потребителя, м
Рис. 12.1. Место КФД в системе навигационного обеспечения:
РДПС — региональная дифференциальная подсистема; ЛДПС — локальная
дифференциальная подсистема; РВ — реальное время; И — с начальной
инициализацией; АП — апостериорный режим
Кроме того, доставка высокоточной ЭВИ требует повышения ско-
рости передачи НИ более чем на порядок, что также требует пере-
смотра подхода к построению навигационных радиолиний. Повышение
информативности неизбежно приводит к снижению помехоустойчи-
вости радиолинии, поэтому кроме рассмотрения вопросов создания
глобальной сети измерительных станций в разд. 12.3 обсуждаются пу-
ти построения высокоскоростной навигационной радиолинии на базе
радиосигнала в частотном диапазоне ГЛОНАСС.
2.1. Место высокоточных комплексов функциональных дополнений ГНСС в системе навигационного обеспечения
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
12.2. Зарубежные высокоточные
широкозонные системы
функциональных дополнений
OmniSTAR
The Global Positioning System
STARFIRE
12.2.1. Система OmniSTAR
Общие сведения. OmniSTAR является функциональным допол-
нением ГНСС, предоставляющим услуги высокоточного определе-
ния местоположения под разными торговыми марками (OmniSTAR —
услуги для сельского хозяйства, авиации, геодезии и картографии;
StarFIX — услуги для работ в прибрежной зоне, SeaSTAR—услуги
судовождения в критически важных для безопасности человека прило-
жениях, MarineStar —услуги судовождения больших судов) в рамках
единой международной корпорации Fugro. Fugro — крупная транс-
национальная корпорация, представленная более чем в 50 странах
и имеющая более 200 офисов по всему миру. Её деятельность направ-
лена на выполнение геодезических и геотехнических работ, а также
на предоставление услуг высокоточного определения местоположе-
ния на суше и в море. В апреле 2011 г. подразделение OmniSTAR,
обеспечивающее предоставление услуг потребителям на суше, было
приобретено компанией Trimble в рамках стратегии расширения спек-
тра предоставляемых услуг в глобальном масштабе.
Первой услугой, которую специалисты OmniSTAR разработали
в 1989 г., является обеспечение субметровой точности навигационных
определений в глобальном масштабе для потребителей, использующих
одночастотную АП. Услуга называется виртуальная базовая станция
(Virtial Base Station —VBS) и обеспечивает погрешность определения
плановых координат менее 0,5 м (СКП).
Появление в начале XXI века АП, способной осуществлять ИТНП
радиосигналов НКА GPS в диапазонах L1 и А2, а также развитие
технологий высокоточного определения местоположения позволили
OmniSTAR совместно с Лабораторией реактивного движения НАСА
разработать новую услугу ХР. Отличительной особенностью данной
услуги является то, что потребителю передаётся обновляемая с высо-
кой периодичностью ЭВИ, а не КИ к ЭВИ, передаваемой в составе
418
ЦИ с борта НКА. Так, период обновления эфемерид не превышает
1 мин, а ЧВП — 10 с. При этом погрешность прогнозирования эфеме-
ид составляет 0,1 м (СКП), а ЧВП — 1 нс (СКП). Несмотря на то что
ператор заявляет, что погрешность определения плановых координат
данном режиме не превышает 0,075 м (СКП), результаты экспе-
риментов показывают, что на интервалах наблюдения порядка 1 ч
погрешность составляет 0,1 м (СКП) и снижается до значения 0,04 м
СКП) после 3 ч наблюдения.
Благодаря развитию технологий высокоточного определения ме-
стоположения была разработана более совершенная услуга —
OmniSTAR HP, которая позволяет осуществлять навигационные опре-
деления с погрешностью 0,05 м (СКП) в плане. При этом время
до получения первого решения в статике занимает 10.. .20 мин, а в ди-
намике — 25.. .55 мин.
В 2010 г. OmniSTAR анонсировала предоставление услуг высоко-
точного определения местоположения на основе совместного исполь-
зования ИТНП радиосигналов НКА GPS/ГЛОНАСС. Услуга полу-
ила условное обозначение G2 [85]. Несмотря на то что G2 является
фактически развитием услуг ХР и HP, оператор продвигает её незави-
симо. При работе по радиосигналам двух ГНСС значительно увели-
чивается доступность навигационного поля в условиях пересечённой
местности и плотной городской застройки, что позволяет сократить
ьремя получения первого решения на 20.. .40 % а также уменьшить
погрешность навигационных определений до 2 раз относительно ре-
жима ХР.
Архитектура. Система OmniSTAR состоит из пяти составных ча-
стей (рис. 12.2):
• сети ССИ;
• центров расчёта КИ и высокоточной ЭВИ;
• станций закладки;
• КА на ГСО;
• потребителей.
Сеть ССИ осуществляет непрерывную оценку ИТНП радиосигна-
лов НКА GPS в диапазонах LA и А2, приём и выделение бортовой
ЭВИ и выдачу данной информации в центры обработки. Исходные
данные для формирования ЭВИ для предоставления услуг HP и ХР
поступают с более чем 100 станций (рис. 12.3), из которых лишь 40
принадлежат OmniSTAR. Остальные станции находятся в ведении
Лаборатории реактивного движения НАСА и используются в соот-
ветствии с соглашением между Fugro и НАСА.
Отличительной особенностью ССИ, принадлежащих OmniSTAR,
является способность осуществлять оценку ИТНП радиосигналов
не только НКА GPS, но и ГЛОНАСС. Указанное обстоятельство
позволило OmniSTAR предложить потребителям услугу G2, которая
реализуется только за счёт использования собственных измеритель-
ных средств.
12.2. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функциональных дополнений
419
Рис. 12.2. Архитектура OmniSTAR
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Рис. 12.3. Зоны действия и обслуживания, сеть станций OmniSTAR:
О — станции НАСА; • — станции OmniSTAR
Информация от сети ССИ поступает в два центра обработки,
которые работают параллельно и формируют глобальную высоко-
точную ЭВИ и КИ. Центры OmniSTAR расположены в гг. Хьюстон
(США) и Перт (Австралия). Поток высокоточной ЭВИ и КИ посту-
пает на станции закладки для последующей передачи потребителям
через КА на ГСО. Для закладки информации OmniSTAR использует
сеть из пяти станций, расположенных в гг Гнангара (ЮАР), Бурум
420
(Нидерланды), Окланд (Новая Зеландия), Эйик (Норвегия) и Ре-
стон (США).
Орбитальная группировка OmniSTAR включает девять КА на ГСО
(табл. 12.1), из них восемь КА равномерно распределены по эква-
тору и создают квазиглобальное покрытие, при котором услугами
OmniSTAR могут пользоваться потребители на широтах ниже 75°
(см. рис. 12.3). КА MSV формирует три луча и обслуживает только
территорию США.
Таблица 12.1
Орбитальная группировка OmniSTAR
Зона обслуживания Иденти- фикатор Орбитальная позиция Несущая частота, МГц / скорость, бит/с
Американский регион ASAT 101° з.д. 1 539,9625 / 1 200
MSV 101° з.д. 1 557,8450 / 1 200 1 557,8350 / 1 200 1 557,8550 / 1 200
AORW 55° з.д. 1 539,9625 / 600
Европа и Африка AORE 15,5° з.д. 1 539,9725 / 600
ESAT 25° в.д. 1 539,9125 / 1 200
IOR 65° в.д. 1 539,9325 / 600
Азиатско- Тихоокеанский регион PASAT 103° в.д. 1 539,9225 / 1 200
AUSAT 152° в.д. 1 539,9625 / 1 200
PORL 178° в.д. 1 539,9525 / 1 200
Применение. Услуги OmniSTAR предоставляются на платной ос-
-ове по подписке. В основном потребителям предлагаются годовые
абонементы, но поскольку сельскохозяйственные работы носят сезон-
ный характер, отдельные категории потребителей имеют возможность
аключать 3-месячные контракты.
Основными сферами практического использования OmniSTAR яв-
яются:
• аграрная промышленность. Обеспечивает землеустроителей суб-
метровой или дециметровой точностью, применимой для широкого
спектра задач высокоточного земледелия и автоматического управле-
ния сельскохозяйственными машинами, особенно при использовании
с совместимыми системами автоматического руления, а также систе-
ами орошения и удобрения;
• геодезические работы. Сканирование земной поверхности, маг-
нитометрическая съёмка высоковольтных линий электропередач, об-
следование трубопроводов, выбор трасс автомобильных дорог, трубо-
проводов и линий электропередач;
12.2. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функциональных дополнений
421
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
• строительство. Решение задач по управлению строительной тех-
никой;
• картографические работы;
• авиация и судоходство.
12.2.2. Система StarFire
Общие сведения. Система StarFire является высокоточным ши-
рокозонным функциональным дополнением GPS, созданным компа-
нией John Deere’s NavCom для агропромышленного комплекса. Обо-
рудованная абонентскими терминалами сельскохозяйственная техника
позволяет осуществлять высокоточное земледелие за счёт использо-
вания КИ, передаваемой в составе ЦИ радиосигналов в /.-диапазоне
с борта КА на ГСО.
Идея создания StarFire возникла в 1994 г. после одного из тех-
нических совещаний, на котором обсуждались перспективы развития
технологий земледелия. Проведённый анализ показал, что большое
число небольших компаний ведёт разработку систем картографирова-
ния сельскохозяйственных угодий на основе АП GPS, установленной
на сеялках и совмещённых со счётчиками. Техническим специалистам
было очевидно, что использование ГНСС может совершить револю-
цию в земледелии, но погрешность навигационных определений при
активном режиме селективного доступа была столь высокой, что эф-
фективность подобных систем была очень низкой. Именно поэтому
большинство разработчиков подобных систем обанкротились в тече-
ние нескольких лет.
Официально разработка StarFire началась лишь в 1997 г. в рамках
небольшого проекта, который технические специалисты John Deere
выполнили совместно с учёными из Стэнфордского университета и Ла-
боратории реактивного движения. Результатом данной научно-иссле-
довательской работы стала концепция широкозонной дифференциаль-
ной системы, которая существенно отличалась от разрабатываемой
в то время системы WAAS. В ходе рабочего проектирования систе-
мы был разработан алгоритм фильтрации двухчастотных ИТНП в АП.
позволяющий уменьшить влияние основных составляющих погрешно-
сти ИТНП — ионосферной рефракции, ЭВИ и многолучёвости. Ис-
пользование двухчастотной АП также способствовало уменьшению
числа ССИ, необходимых для достижения требуемой точности, по-
скольку отпала необходимость построения карты вертикальных ионо-
сферных задержек.
Первоначально система StarFire представляла собой совокупность
независимых региональных подсистем, разделённых по географиче-
скому принципу (рис. 12.4) и предоставляющих услугу широкозонной
дифференциальной коррекции WCT (Wide Area Correction Transform).
Официально запущенная в 1998 г. после нескольких лет разработки
услуга получила название SF1. С её помощью потребители могут осу-
ществлять навигационные определения с погрешностью 0,35 м (СКО).
422
Рис. 12.4. Исходная архитектура системы StarFire
Региональные подсистемы были развёрнуты в тех регионах земного
шара, в которых активно продавалась сельскохозяйственная техника
- мпании John Deere, — в Северной и Южной Америке, Европе и Ав-
.тралии. Самая большая сеть из восьми станций была создана в США,
пять станций расположены в Австралии, четыре —в Европе и три —
Южной Америке.
В 2001 г. компания John Deere заключила соглашение с Лаборато-
рией реактивного движения об использовании программного комплек-
са высокоточной оценки ЭВИ RTG (Real Time GIPSY) и прогнозиро-
вания ЭВИ для повышения качества своих услуг, а также об исполь-
зовании ИТНП глобальной сети станций НАСА для решения данной
задачи. Результатом этого сотрудничества явилась обновлённая гло-
бальная услуга SF2, которая стала представляться потребителям
2004 г. После этого первоначальная услуга SF1 стала бесплатной.
Поскольку основным ограничением SF1 являлась деградация точ-
ности ЭВИ при использовании КИ вне зоны расположения сети ССИ,
• при реализации услуги SF2 для обеспечения погрешности 0,05 м
• СКП) была создана глобальная сеть из 50 ССИ. Программное обес-
печение RTG, формирующее глобальную КИ к ЭВИ, использует поток
;ТНП, аналогичный тому, что был разработан для исходной системы.
При этом КИ к эфемеридам и ЧВП может использоваться в глобаль-
ном масштабе и не зависит от местоположения потребителя.
Архитектура. Система StarFire состоит из семи основных компо-
нтов (рис. 12.5):
• сети ССИ;
• центров обработки;
• ССПД;
• станций закладки информации на КА на ГСО;
12.2. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функциональных дополнений
423
Геостационарные спутники Inmarsat
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Сеть опорных станций
Рис. 12.5. Архитектура StarFire
• КА на ГСО;
• станций мониторинга;
• потребителей.
Сеть ССИ осуществляет непрерывную оценку ИТНП радиосиг-
налов НКА GPS в диапазонах L1 и L2, приём и выделение борто-
вой ЭВИ, а также выдачу данной информации в центры обработки.
В настоящее время в составе системы StarFire действуют 50 ССИ,
расположенных в глобальном масштабе (рис. 12.6), причём лишь
20 из них является собственностью компании NavCom (оператора
StarFire). Остальные станции принадлежат Лаборатории реактивного
движения НАСА.
В составе StarFire параллельно работают два центра обработки
(Редондо Бич (Калифорния) и Молайн (Иллинойс)). Кроме решения
задач приёма потока данных от сети ССИ и формирования КИ центры
также выполняют функцию контроля и управления системой. Первый
этап формирования КИ заключается в высокоточной оценке эфеме-
рид НКА на основе массива ИТНП глобальной сети ССИ. Точность
полученных оценок эфемерид проверяется путём сравнения с орбита-
ми, вычисленными на основе информации IGS. Поскольку параметры
орбиты НКА меняются медленно, то оценка эфемерид формируется
с периодичностью в несколько минут. На втором этапе осуществляется
расчёт КИ к эфемеридам и ЧВП, который выполняется с периодично-
стью несколько секунд. Работа центра полностью автоматизирована,
и для информирования дежурной смены о возникших проблемах функ-
ционирует система предупреждения.
ССПД объединяет все каналы передачи данных, которые обеспе-
чивают надёжную передачу как первичной измерительной информации
424
Рис. 12.6. Глобальная сеть станций StarFire
в центры обработки, так и КИ в станции закладки. Для обеспечения
адёжности используется множество различных линий связи: Интер-
нет. Frame Relay, ISDN, VSAT, выделенные цифровые линии. Одной
из главных особенностей является высокая степень их резервиро-
ания.
Большинство ССИ передают информацию в центры обработки
с помощью интернет-каналов, поскольку в США данный вид связи
считается достаточно надёжным. Для передачи информации центров
«Сработки на станции закладки также используется Интернет. По-
скольку этот поток данных является критичным для функционирова-
-ия всей системы, интернет-каналы резервируются при помощи ISDN
\SAT.
Станции закладки осуществляют формирование потока цифровой
нформации с КИ и передачу данной информации на КА на ГСО.
В состав станции закладки входит модуль оценки КИ, который на ос-
нове сравнительного анализа данных, поступающих из двух центров
обработки, принимает решение, какой из потоков данных позволя-
ет получить наименьшую погрешность навигационных определений
и. следовательно, должен быть передан потребителям через КА. Стан-
ц и закладки на КА, обслуживающие Европу и Африку, расположены
в г. Гунхилли (Великобритания), обслуживающие потребителей в Се-
верной и Южной Америке —в г. Лаурентидес (Канада). Закладку КИ
для потребителей в Азиатско-Тихоокеанском регионе осуществляет
станция в Окленде (Новая Зеландия).
В системе StarFire используются шесть КА Inmarsat (рис. 12.7),
которые обеспечивают ретрансляцию радиосигналов в L-диапазоне
12.2. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функциональных дополнений
425
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Рис. 12.7. Зона действия КА StarFire
со скоростью передачи цифровой информации 1 200 бит/с. В свя-
зи с развитием наземных сетей широкополосной беспроводной связи
в период с января по март 2012 г. были изменены номиналы несущих
частот КА. транслирующих КИ StarFire (табл. 12.2), а также орби-
тальные позиции КА.
Таблица 12.2
Параметры радиосигналов КА StarFire
Предыдущая орбитальная позиция Несущая частота, МГц Новая орбитальная позиция Несущая частота, МГц
15,5° з.д. 1535,170 54° з.д. 1 539,8425
142° з.д. 1 535,153 178° в.д. 1 539,8625
143,5° в.д. 1535.145 143,5° в.д. 1 539,8925
98° з.д. 1 545,545 98° з.д. 1 539,8725
64° в.д. 1 545,545 64° в.д. 1 539,8725
25° в.д. 1 537,453 25° в.д. 1 539,8625
Станции мониторинга совмещены с отдельными ССИ и обеспечи-
вают контрольными измерениями центры обработки в режиме реаль-
ного времени, что позволяет непрерывно оценивать параметры услуг
системы и определять сбои.
В настоящее время в мире услуги StarFire предоставляются бо-
лее чем 40000 потребителей, которые используют несколько типов
АП, разработанных и производимых компанией NavCom — операто-
426
ром StarFire. Основными компонентами данной АП являются мно-
гочастотная антенна, способная принимать радиосигналы НКА GPS
в диапазонах L\/U1 и радиосигналы КА StarFire в A-диапазоне, при-
ёмник /.-диапазона для приёма и декодирования КИ, двухчастотный
приёмник радиосигналов НКА GPS, осуществляющий высокоточные
навигационные определения с использованием КИ StarFire.
Несмотря на упоминание в рекламных буклетах StarFire исполь-
зования радиосигналов НКА ГЛОНАСС для высокоточной навига-
ции, в научной печати оценки качества навигационных услуг в данном
режиме не приводятся. В связи с этим можно предполагать, что по-
грешность навигационных услуг StarFire находится на одном уровне
с OmniSTAR.
Применение. Изначально система StarFire была разработана ком-
панией John Deere для применения в аграрной промышленности,
в частности для создания полевой документации, полуавтоматического
и автоматического управления сельскохозяйственной техникой.
Комплексное решение на базе АП StarFire и специальных сен-
соров, установленных на комбайнах, рассчитывающих количество
собираемого зерна, является одним из наиболее передовых реше-
ний в сфере уборки урожая, которое позволяет составлять подробные
карты, отображающие распределение урожая на площади сельскохо-
зяйственных угодий.
Системы определения положения сельскохозяйственной техники
информируют оператора о любом малейшем отклонении от курса,
и он может внести соответствующие поправки в управление. Бла-
годаря этому урожай можно собирать в ночное время суток.
После внедрения системы StarFire в аграрную промышленность
стали очевидными другие сферы применения, в которых эта система
\'ожет обеспечить значительное преимущество:
• геодезические работы;
• географические информационные системы;
• сопровождение и контроль строительного оборудования;
• геологическое исследование ресурсов;
• составление гидрографических карт;
• системы автоматического пришвартовывания судов;
• железнодорожное строительство.
2.2. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функциональных дополнений
12.3. Отечественный
высокоточный комплекс
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
функционального дополнения ГНСС
12.3.1. Общие подходы к построению КФД
Несмотря на то что операторы StarFire и OmniSTAR анонсиро-
вали предоставление услуг и для потребителей ГЛОНАСС, описа-
ние алгоритмов функционирования данных систем в открытой печати
отсутствует. С учётом сказанного особую актуальность приобрета-
ет задача построения отечественного универсального высокоточного
комплекса функционального дополнения (КФД) ГНСС, способного
обеспечить необходимой информацией потребителей всех существую-
щих навигационных систем, как каждой в отдельности, так и в любых
комбинациях (см. рис. 12.1). Это позволит существенно улучшить воз-
можности системы навигационного обеспечения потребителей не толь-
ко ГЛОНАСС, но и других ГНСС.
Создание КФД, предоставляющего указанный набор услуг, требует
решения целого ряда научно-практических задач, к которым в первую
очередь относятся следующие:
• создание инфраструктуры, позволяющей сформировать высоко-
точную оценку и прогноз ЭВИ, параметров вращения Земли и т. д.;
• организация общедоступного высокоскоростного канала достав-
ки информации потребителям через КА на ГСО в традиционных диа-
пазонах частот, используемых в радионавигации;
• разработка рекомендаций по использованию информации КФД
в АП для достижения требуемого уровня точности.
Каждая из поставленных основных задач создания КФД требует
в свою очередь решения целого ряда не менее сложных задач. Так,
для формирования необходимой потребителю информации требуется:
428
• разработать общую архитектуру КФД и провести декомпозицию
общих требований к услугам КФД на набор требований к его состав-
ным частям;
• создать и сертифицировать оборудование измерительных средств
КФД;
• спроектировать топологию сети ССИ с учётом требований к ис-
ходными данным для формирования высокоточной оценки эфемерид
и ЧВП в реальном времени, возможности организации надёжных ка-
налов передачи данных требуемой пропускной способности, наличия
соответствующей нормативно-правовой базы и т. д.;
• разработать автоматические программно-аппаратные комплексы
реального времени, обеспечивающие формирование требуемой потре-
бителю информации.
При решении задач расчёта и прогнозирования высокоточной ЭВИ
ГНСС используются два подхода:
1) определение кеплеровских параметров орбиты НКА на дли-
тельном интервале наблюдения и прогнозирования данных параметров
на требуемый интервал времени;
2) определение параметров вектора состояния НКА в геоцентри-
ческой системе координат с помощью калмановского фильтра в ре-
альном времени.
Первый подход реализован в следующих программных комп-
лексах:
• GNSS-Inferred Positioning System and Orbit Analysis Simulation
Software (GIPSY-OASIS), разработанном в Лаборатории реактивного
движения Калифорнийского технологического института;
• National Resources of Canada Precise Point Positioning
\RCanPPP), созданном специалистами Департамента природных ре-
сурсов Канады для проведения апостериорной обработки;
• Bernese, разработанном для апостериорной обработки ИТНП
радиосигналов ГЛОНАСС и GPS в Институте астрономии и физики
университета г. Берна (Швейцария);
• Navigation Package for Earth Observation Satellites (NAPEOS),
созданном специалистами European Space Operations Centre (ESOC)
для обработки массивов ИТНП и высокоточного определения ЭВИ.
Второй подход осуществляется в следующих программных ком-
плексах:
• MagicGNSS, созданном испанской компанией GM.V для предо-
ставления услуг высокоточных навигационных определений по радио-
сигналам ГЛОНАСС и GPS в реальном времени и в апостериорном
режиме;
• GPS Analysis and Positioning Software (GAPS), разработанном
в Университете Нового Брунсвика;
• GNSS—Lab tool suite (gLAB), созданном специалистами EKA.
Этот интерактивный программный комплекс позволяет осуществлять
обработку ИТНП НКА и анализ качества формирования ЭВИ.
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
429
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Безусловным преимуществом программных комплексов оценки кеп-
леровских параметров орбит является высокая точность полученной
ЭВИ на выбранном временном интервале, что не исключает наличия
аномально высокой погрешности определения ЭВИ в отдельные мо-
менты времени. В случае реализации режима высокоточного опреде-
ления местоположения в апостериорном режиме указанные аномалии
не оказывают существенного влияния на работу алгоритмов, описан-
ных в гл. 11. Однако при высокоточных навигационных определени-
ях в реальном времени, особенно подвижными потребителями, подоб-
ные сбои недопустимы. Поэтому в приложениях реального времени для
оценки ЭВИ используются алгоритмы, основанные на калмановской
фильтрации, которые за счёт некоторого снижения точности позволяют
исключить наличие аномальных отклонений оценок ЭВИ от истинных
значений. Поскольку с научной точки зрения наибольший интерес пред-
ставляет реализация алгоритмов определения ЭВИ, обеспечивающих
минимальную погрешность её оценки, в подразд. 12.3.2 рассматрива-
ется вопрос построения глобальной сети ССИ применительно к перво-
му подходу. Создание высокоскоростного канала доставки информации
потребителю требует решения следующих задач:
• выработки требований к оперативности обновления и объёму пе-
редаваемой потребителю информации;
• разработки радиосигнала для КА в радионавигационном диа-
пазоне частот в соответствии с требованиями по скорости передачи
цифровой информации и помехозащищённости радиолинии;
• разработки схемы удалённой синхронизации радиосигнала, излу-
чаемого с борта КА на ГСО. для обеспечения унификации парамет-
ров схем слежения за задержкой радиосигналов НКА ГНСС и КА
на ГСО КФД.
Поскольку в отечественной и зарубежной литературе обсуждение
вопроса развития навигационных радиосигналов в основном сосре-
доточено вокруг рассмотрения возможности использования различ-
ных видов модуляции для повышения точности и помехозащищённо-
сти, а не повышения информативности навигационной радиолинии, что
чрезвычайно важно для реализации режимов высокоточных навига-
ционных определений, в подразд. 12.3.3 описаны подходы к созданию
высокоскоростной навигационной радиолинии на базе навигационного
радиосигнала ГЛОНАСС в диапазоне L3.
Разработка рекомендации по алгоритму использования информа-
ции КФД при вторичной обработке в АП требует создания специали-
зированных полигонов и типовых образцов различных видов АП для
решения разных задач в дорожном строительстве, сельском хозяйстве,
геодезии и т. п.
12.3.2. Принципы построения глобальной ССИ
Основной задачей сети ССИ является формирование массива
ИТНП, необходимого для высокоточного определения ЭВИ. Поэтому
430
география размещения ССИ должна выбираться исходя из возмож-
ности достижения требуемых точностных характеристик с учётом ряда
чевидных ограничений:
• ССИ должна располагаться на суше, в зоне слабой тектониче-
ской активности, в точке, где обеспечен уверенный приём и формиро-
вание ИТНП радиосигналов НКА;
• в точке размещения ССИ должен быть обеспечен доступ к на-
дёжным высокоскоростным каналам передачи данных;
• при размещении ССИ за рубежом должны быть полностью уре-
гулированы все нормативно-правовые вопросы.
Одновременный учёт всех указанных факторов затрудняет процесс
проектирования топологии сети ССИ. Поэтому целесообразно разде-
лить его на два этапа:
1) определение параметров сети исходя из требований решения це-
евой задачи;
2) уточнение топологии сети с учётом имеющихся ограничений.
В основе определения ЭВИ лежит принцип кратности ИТНП
то конкретному НКА, который заключается в том, что радиосигналы
дного НКА одновременно принимаются несколькими ССИ. Зада-
чей первого этапа проектирования является определение минимально
необходимой кратности покрытия всего множества подспутниковых
~ чек на поверхности Земли.
На втором этапе исходя из требований обеспечения заданной крат-
ности уточняется количество реально необходимых ССИ, поскольку
в регионах с нестабильной политической обстановкой и в районе Ти-
хого океана невозможно установить ССИ в интересующих местах,
а альтернативные варианты могут потребовать размещения дополни-
’гльных станций.
Общеизвестным условием решения системы уравнений связи меж-
д. ИТНП и оцениваемыми параметрами ЭВИ НКА является пре-
вышение количества измерений над числом неизвестных. При этом
к иичество неизвестных определяется количеством НКА и длитель-
ностью интервала обработки, а количество ИТНП пропорционально
ту станций.
При оценке параметров ЭВИ НКА в каждый момент времени ис-
• 'льзуются выборки, полученные на временном интервале от 11 ч
15 мин (период обращения НКА вокруг Земли) до 200 ч (длительность
шгкла перемещения следа несинхронной орбиты НКА на поверхности
Земли).
Один их возможных подходов к определению количества неиз-
вестных при использовании ИТНП на временном интервале [/ь^лг]
применительно к решению целевых задач в интересах потребителей
:истемы ГЛОНАСС рассмотрен в работе [86]:
1) в каждый момент времени оцениваются 17 компонентов вектора
. стояния НКА: 6 компонентов модели орбиты, 2 компонента модели
ртовой шкалы времени, 9 компонентов модели солнечного давления.
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
431
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
(В случае если в составе орбитальной группировки все НКА относятся
к одному типу, параметры модели светового давления могут прини-
маться общими для всей группировки, однако на практике [87] для
достижения высоких точностей оценки ЭВИ их оценивают отдельно
для каждого НКА);
2) в каждый момент времени производится оценка компонентов
вектора состояния для орбитальной группировки из N НКА с исполь-
зованием ИТНП по огибающей и фазе несущих колебаний во всех
диапазонах частот;
3) в каждый момент времени необходимо оценить два компонента
вектора состояния измерительной станции (вертикальная тропосфер-
ная задержка и уход шкалы времени ССИ относительно системной
шкалы времени);
4) количество оцениваемых ПФН ИТНП по фазе несущих колеба-
ний радиосигналов НКА для одной ССИ на заданном временном ин-
тервале определяется эмпирической зависимостью W(а;X; t\ ... tM\N)
от вектора координат ССИ X и угла маски а линии визирования НКА
из точки расположения ССИ;
5) в каждый момент времени t число L НКА с координатами X.
наблюдаемых ССИ. определяется зависимостью А(а;Х; t;N).
С учётом перечисленных условий выражение связи количества
неизвестных параметров и необходимого числа измерений имеет вид
к
N 17 M+^
Параметры * = 1
ЭВИ НКА
у (ос; X/;/] /М;7У)+ '
Параметры фазовой Параметры
неоднозначности станции
А М
^£д(«;Хгдг,М)Д, (12.1)
/=1 /=1
где М — объём выборки, используемой для определения ЭВИ; К —
количество ССИ; D — количество ИТНП в каждый момент времени.
Для орбитальной группировки НКА «Глонасс-М» D = 4, поскольку
ИТНП формируются по радиосигналам в диапазонах L1 и L2; для
орбитальной группировки НКА «Глонасс-К» D = 6, поскольку ИТНП
формируются по радиосигналам в диапазонах LA, L2. L3.
Число оцениваемых ПФН для каждой ССИ определяется количе-
ством видимых НКА, временем их непрерывного пребывания в зоне
видимости ССИ и вероятностью сбоя в слежении за фазой радиосиг-
налами данного НКА в течение интервала его непрерывного пребыва-
ния в зоне видимости данной ССИ:
lF(a;X;;4 ...tM;N) =
при Urriijk > а и Umtjk-\ < а;
при 0,999; (12.2)
во всех остальных случаях.
432
Здесь Urriijk — значение угла места вектора из точки расположения
‘'.СИ с координатами X, в направлении НКА с координатами Z, в мо-
мент времени tk. Umijk = Um(Xt, P^ — совместная вероятность
возникновения сбоя в работе схем слежения за радиосигналами НКА
всех диапазонах частот в ходе текущего сеанса его наблюдения.
Величина Р1- определяется в каждый момент времени по рекур-
.нтной формуле
Г1 — (1 -Р*-1)(1 -Pj(Umijk)')D/2 При
Р* > 0,9999998; (12.3)
[О во всех остальных случаях,
Pj(Utnijk) — вероятность сбоя в работе схемы слежения за одним
из радиосигналов /-го НКА в случае приёма его радиосигналов с лю-
' го направления под углом места Um^ Р1- — пороговое значение
вероятности наступления сбоя, задаваемое при проектировании сети.
Совместная вероятность возникновения сбоя в каждый последую-
ший момент времени пребывания НКА в зоне видимости ССИ оцени-
вается на основе совместной вероятности возникновения сбоя за весь
тедшествующий интервал наблюдения и вероятности возникновения
сбоя в текущий момент. В случае если Р1- превышает пороговое зна-
чение, считается, что за прошедший интервал наблюдения с вероят-
ностью, равной единице, имел место сбой в работе схемы слежения
фазой несущей частотой, и количество оцениваемых ПФН в выра-
жении (12.2) увеличивается на 1. Исходя из требований к надёжности
- вигационных определений, предъявляемых, например, гражданской
:-нацией, в качестве порогового значения можно принять значение
*999998.
Обычно вероятность сбоя Р, задаётся априорно, например, при
ектировании наземной инфраструктуры ГНСС значение вероят-
н сти сбоя при слежении за радиосигналом одного НКА не должно
превышать 0,01...0,02. Однако в силу множества различных факторов
как естественного, так и искусственного происхождения в реальных
условиях на пункте размещения ССИ вероятность сбоя может отли-
ться от заданного значения как в большую, так и в меньшую сторону.
Соблюсти баланс между требованиями к надёжности сопровожде-
я радиосигналов и передачи данных, с одной стороны, и приемлемой
стоимостью создания и поддержания в технической и эксплуатаци-
нной готовности ССИ —с другой, достаточно сложно. В частности,
большинство пунктов наблюдения, имеющие надёжные линии пере-
дачи данных и квалифицированный персонал, расположено в непо-
средственной близости от крупных городов, в которых на первый план
-ыходят трудности с обеспечением электромагнитной совместимости
•ппаратуры ССИ и других средств. Для снижения влияния локальных
условий приёма радиосигналов на качество ИТНП можно исполь-
зовать селекцию по углу места. Для этого, как было сказано выше,
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
433
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
задаётся угол маски, т. е. минимально допустимое значение угла места
НКА относительно ССИ, при котором ИТНП могут использоваться
для формирования ЭВИ.
Опыт эксплуатации сети ССИ СДКМ. включающей 19 станций
на территории Российской Федерации и 6 за рубежом, позволяет оце-
нить реальные значения вероятности сбоев в работе следящих систем
ССИ. Результаты оценки вероятности сбоев в работе ССИ с наилуч-
шими и наихудшими показателями, а также среднее значение по всем
станциям сети при приёме радиосигналов НКА ГНСС при различных
значениях минимального угла места а в течение первых трёх месяцев
2013 г. приведены в табл. 12.3.
Таблица 12.3
Вероятность сбоя Pj (а), %
Характеристика условий приёма Минимальный угол места, град
5 10 15 20 25 30
Худший случай 8,70 6,85 5,77 4,68 3,51 2,85
Лучший случай 1,35 0,25 0,16 0,13 0,11 0,09
Средний показатель по сети 3,38 1,98 1,57 1,33 1,14 0,99
Поскольку количество НКА, находящихся в зоне радиовидимости
ССИ, и время наблюдения каждого НКА отдельными ССИ постоян-
но меняются в достаточно широких пределах, для поиска минимально
необходимого количества ССИ представляется целесообразным заме-
нить в выражении (12.1) многопараметрическую функцию L(a;X; t; /V)
на табулированное значение L'(a), которое будет определять сред-
нее значение количества видимых НКА при любом местоположении
ССИ в пределах среднего времени наблюдения НКА одной ССИ 8(a)
на временном интервале [/j; tM] при заданном минимальном значении
угла места а. Количество видимых НКА для орбитальной группировки
из 24 аппаратов при различных значениях минимально допустимого уг-
ла места для ССИ, расположенных в высоких широтах и на экваторе,
а также среднее количество НКА в зоне радиовидимости сети станций,
равномерно расположенных на поверхности земного шара с шагом 1°
по широте, приведены в табл. 12.4. При расчёте значений L' учиты-
валось орбитальное построение ГЛОНАСС, предполагающее полную
повторяемость трасс движения НКА через 17 витков (7 суток 23 ч
27 мин 27 с).
Значения среднего времени наблюдения 8(a) одного НКА од-
ной ССИ, рассчитанные по аналогичной методике, представлены
в табл. 12.5.
Найдём упрощённое выражение для определения количества сбоев
на одном витке обращения НКА. Для этого вероятность Р возникно-
вения хотя бы одного сбоя по одному типу ИТНП для т дискретных
434
Таблица 12.4
Среднее количество видимых НКА
расположения Минимальное значение угла места, град
10 15 20 25 30
* на широте 70° 8,27 7,50 6,73 5,93 5,06
на экваторе 6,17 5,40 4,63 3,83 2,96
. . значение (у.) 7,23 6,45 5,69 4,89 4,02
Таблица 12.5
гние времени нахождения НКА в зоне радиовидимости
ССИ к длительности витка
.^положения Минимальное значение угла места, град
10 15 20 25 30
широте 70° 0,34 0,31 0,28 0,25 0,21
; экваторе 0,25 0,23 0,19 0,16 0,12
.. значение сю сети 5(1) 0,30 0,27 0,24 0,21 0,17
• «* - '. ени представим в следующем виде:
Р = 1 - (1 -Р(а))т,
: эятность сбоя в один момент времени, численно равная
К* * • и ССИ вероятности сбоя. Здесь предполагается невоз-
• * - . -ь о. .повременного возникновения двух и более сбоев, а также
i v сбоев в разные моменты. Отсюда получаем следующее
t- -- - я определения числа т дискретных моментов времени,
—ч . iero вероятностям Р(а) и Р:
Ig(l-P)
(12.4)
112.4) и зависимость 5(a), можно получить упрощённое
шсм и;-, . определения количества сбоев Р на одном витке об-
; НК \ при частоте следования отсчётов 1 Гц для всех типов
Д у~ 7 (>2.5)
Г = - — количество секундных отсчётов ИТНП на одном
= 0.9 .. 4993 (заданное значение); 5(а)Т — интервал наблюде-
мв НХХ j-ncи ССИ на одном витке.
“ с И Ис (12.3) позволяет упростить формулу (12.2) для оценки
IV х. А .. .'v; V) на интервале полной повторяемости орбиты
КЛО Н *.' С (1 ~ витков) при частоте следования отсчётов 1 Гц:
Г<жЛ .../м;Л')=17М j
1 + 5(a) Т ———
W Ig(l-P)
(12.6)
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
435
С учётом полученных зависимостей выражение (12.1) может быть
представлено в следующем виде:
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
17М- \7Т + К Г17Л/ $ [1 + 5(a)Т + 2-177] <
L 2 L lg(l - Р) J J
177А'(а)£>. (12.7)
Отсюда получаем выражение для определения количества ССИ:
N 17
D ri lg(l -Р(а))п
L (а)£> - Л/ — [у + 5(а) _ 2
(12.8)
где INT[ ] — функция округления до ближайшего целого.
В настоящее время в орбитальной группировке ГЛОНАСС функ-
ционируют 24 НКА, однако в рамках федеральной целевой программы
планируется к 2020 г. увеличить количество НКА в орбитальной груп-
пировке до 30. Кроме того, на смену действующим НКА «Глонасс-М»
должны прийти новые НКА «Глонасс-К», предоставляющие услуги
в трёх диапазонах частот, и к 2020 г. в составе группировки их бу-
дет 22 [88].
Указанные обстоятельства требуют анализа трёх вариантов по-
строения орбитальной группировки (24 НКА «Глонасс-М», смешан-
ная группировка из 30 НКА «Глонасс-М» и «Глонасс-К», 30 НКА
«Глонасс-К») в целях определения максимальных требований к пара-
метрам сети. При средней вероятности сбоя в работе станции 1,5 %
для получения устойчивого решения задачи оценки ЭВИ для орби-
тальной группировки из 24 НКА необходимо глобально распределить
сеть из 19 ССИ, а для смешанной группировки из 30 НКА при пропор-
циональном увеличении табулированных значений А'(а), 5(а) и РДа) —
сеть из 14 ССИ. Из результатов, представленных в табл. 12.6, сле-
дует, что для наблюдения группировки из 24 НКА сеть ССИ должна
обеспечить 5-кратное покрытие территории земного шара, а для на-
блюдения группировки из 30 НКА достаточно 4-кратного покрытия.
Таблица 12.6
Количество ССИ в глобальной сети
Состав орбитальной группировки Минимальное значение угла места, град
10 15 20 25 30
24 НКА 15 17 19 23 29
Смешанная группи- ровка из 30 НКА И 12 14 16 20
30 НКА 10 11 13 15 18
Варианты построения глобальных сетей из 21 и 27 ССИ (с учё-
том фактической возможности размещения), обеспечивающие соот-
ветственно 4- и 5-кратное покрытие подспутниковых точек на поверх-
ности Земли, приведены на рис. 12.8.
436
Рис. 12.8. Глобальная сеть ССИ:
- — 4-кратное покрытие; б — 5-кратное покрытие; — существующие ССИ СДКМ.;
• — планируемые места размещения ССИ
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
437
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
К середине 2013 г. в эксплуатацию было введено лишь 10 станций
предложенной глобальной сети (Билибино (bilp), Петропавловск-Кам-
чатский (kmch), Норильск (nori), Иркутск (irkm), Геленджик (glsv),
Ловозеро (revd), «Беллинсгаузен» (beli), «Новолазаревская» (novo),
«Прогресс» (prgs) и Бразилиа (Ьгар)). В то же время существует боль-
шое количество действующих измерительных станций IGS, которые
осуществляют оценку ИТНП радиосигналов НКА ГЛОНАСС и GPS.
Таким образом, возможно создание моделей сетей, в которых не раз-
вернутые к настоящему времени станции отечественной сети заменят
станции сети IGS.
В модели для 4-кратного покрытия использованы станции IGS
в Вайтхорсе (Канада) (whit), Калгари (Канада) (prds), Ваймеа (США)
(kokv), Гринбелте (США) (godz), Рок де лос Мучачосе (Испания)
(Ipal), Концепсьоне (Чили) (conz), Суберланде (ЮАР) (sutv), Син-
гапуре (Сингапур) (ntus), Донгаре (Австралия) (уагЗ) и Вангапараоа
Пенинсуле (Новая Зеландия) (auck) (рис. 12.9, а).
В модели с 5-кратным покрытием дополнительно задействуются
станции IGS в Кууджиуарапике (Канада) (kuuj), на Бермудах (Вели-
кобритания) (brmu), в Хоэфне (Исландия) (hofn), Аддис-Абебе (Эфи-
опия) (adis), Тигуик-Сити (Филиппины) (ptag) и Варекаури (Новая
Зеландия) (chti).
С помощью указанных моделей сетей были сформированы масси-
вы ИТНП для радиосигналов НКА ГЛОНАСС и GPS на временном
интервале с 0:00 26 декабря 2012 г. до 23:39 28 декабря 2012 г.
(3 суток). Данный массив ИТНП был использован для прогноза ЭВИ
на последующие 24 ч, т. е. на 29 декабря 2012 г.
Эквивалентная погрешность псевдодальности, обусловленная
ошибками прогнозирования эфемерид Д5Э, ЧВП Д5чвп и ЭВИ в це-
лом Д5эви, оценивалась по следующим формулам [89]:
Д5Э = 7[0,98Д/?]2 + 0,142[ДА2 + ДА2]; (12.9)
Д5Чвп = |сДТ|; (12.10)
Д5Эви = л/[0.98Д7? - сДГ]2 + 0,142[ДА2 + ДА2], (12.11)
где Д/?, ДА. ДА — фактическое отклонение эфемерид по радиусу,
вдоль орбиты и в боковом направлении от окончательных (final precise
ephemerides) апостериорных значений, полученных IGS; ДА — фак-
тическое отклонение БШВ НКА от апостериорных значений, полу-
ченных IGS (для сохранения размерности погрешность БШВ умно-
жается на скорость света с). Коэффициенты 0,98 и 0,14 отражают
среднее влияние ошибок положения НКА на погрешность псевдо-
дальности [89, 90].
Результаты исследования [85] показали, что погрешность прогно-
зирования эфемерид на длительные интервалы (1 ч и более) при ис-
пользовании глобальной сети ССИ составляет 0,1 м (СКП). Основ-
ным фактором, определяющим точность ЭВИ, является погрешность
438
Рис. 12.9. Глобальная сеть из реально действующих станций:
а — 4-кратное покрытие; б — 5-кратное покрытие
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
ЧВП, которая требует оперативного обновления с периодичностью
в несколько десятков секунд для обеспечения с сопоставимой с эфеме-
ридами погрешности прогнозирования. При этом проигрыш в точно-
сти прогнозирования ЭВИ при использовании 4-кратного покрытия
составляет менее 0,5 % в сравнении с 5-кратным НКА ГЛОНАСС
и GPS.
Необходимо отметить, что полученные результаты найдены в пред-
положении, что для сбора данных используются идеальные каналы пе-
редачи данных. На практике реальные каналы передачи данных харак-
теризуются сбоями и перерывами в связи. Например, анализ работы
комплекса сбора измерений СДКМ. в течение 9 месяцев 2013 г пока-
зал. что вероятность сбоя в работе канала связи составляет рс = 1,5 %
при среднем времени потери связи тс = 256 с. С учетом указанных об-
стоятельств выражение (12.8) может быть представлено в следующем
виде:
K = INT
УУ-17
L'(a)-D-
Ig(l-Pi)
lg(l - Р) ’
Здесь Р -
а вероятность возникновения сбоя в системе пе-
редачи данных принимается равной вероятности Р сбоя в работе сле-
дящих схем приемного устройства.
Оценка количества ССИ, необходимых для устойчивой работы ал-
горитмов высокоточной оценки и прогнозирования ЭВИ, с учётом па-
раметров каналов передачи данных приведена в табл. 12.7.
Таблица 12.7
Количество ССИ в глобальной сети с учётом каналов связи
Параметры орбитальной группировки Минимальное значение угла места, град
10 15 20 25 30
24 НКА 20 24 27 32 41
Смешанная группировка из 30 НКА 15 17 19 22 28
30 НКА 13 15 17 20 25
Таким образом, при использовании реальных каналов передачи
данных для получения ЭВИ с погрешностью единиц сантиметров
в реальном времени необходимо обеспечить 7-кратное покрытие по-
верхности земного шара.
12.3.3. Высокоскоростной канал доставки информации
потребителям
Требования к каналу доставки информации. Из анализа по-
лученных при разработке топологии глобальной сети ССИ данных
(см. подразд. 1.3.2) следует, что требование оперативного обновления
440
мации является критически важным для эффективной работы
. • -мов высокоточного определения местоположения. Отсюда оче-
. обходимость более оперативного обновления ЭВИ по срав-
. принятым в настоящее время интервалом, равным 30 мин.
\ 6, 8, 10 и 11 неоднократно подчёркивалось, что оценка эфе-
ЧВП может осуществляться раздельно.
.-.нализируем требования к оперативности обновления эфеме-
юкольку движение НКА подчиняется известным физическим
ам. эфемериды могут быть спрогнозированы с высокой точно-
• длительном интервале времени. Зависимость погрешности
шрования эфемерид для НКА ГЛОНАСС при использовании
и1ой сети из более чем 50 ССИ IGS от времени при различной
Мв ости интервалов накопления ИТНП приведена на рис. 12.10.
тавленной зависимости следует, что точность прогнозирова-
5 мерид при увеличении длительности используемой выборки
7 г интервале прогнозирования 5... 15 мин практически совпа-
№ стериорными значениями.
Рис. 12.10. Зависимость погрешности прогнозирования
эфемерид НКА ГЛОНАСС от времени прогнозирования
три различной длительности интервала накопления ИТНП:
I — одни сутки; 2 — двое суток; 3 — трое суток; 4 — четверо суток
Обратная ситуация наблюдается в прогнозировании ЧВП, по-
• . • -юны прогнозирования показаний атомных стандартов ча-
мическом пространстве разработаны в гораздо меньшей
-ногом именно поэтому оценка ЧВП включает детермини-
'Параметры модели) и стохастическую (случайную) состав-
этом стохастические параметры зависят от типа и тех-
га изготовления БСУ и могут достигать значений в несколько
’ч • . на интервалах в несколько часов. Результаты многолетних
• • за НКА GPS показывают, что подобные стохастиче-
*-*- ния составляют 0,1...0,2 нс (0,03...0,06 м) на интервалах
Г* <- с и 1.5 нс (0,5 м) на интервалах до 5 мин. Точность
тс» п - вания показаний БШВ НКА ГЛОНАСС несколько ниже
* погрешности прогнозирования отклонения БШВ НКА
D - . от СШВ при использовании ИТНП на интервале четырёх
- : дена на рис. 12.11. На рисунке видно, что для обеспечения
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
441
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Рис. 12.11. Зависимость погрешности прогнозирования
отклонения БШВ НКА ГЛОНАСС от СШВ
высокоточных навигационных определений временной интервал Та,
на котором ЧВП являются актуальными, не превышает 30 с.
Поскольку время эффективного использования высокоточной ЭВИ
составляет несколько десятков секунд, при разработке требований
к каналу доставки информации необходимо учитывать задержки при
передаче ИТНП с сети ССИ в центр обработки, формировании про-
гноза ЭВИ и доставке информации потребителям (рис. 12.12).
Формирование
ИТНП в ССИ
Доставка Расчёт
измерений оперативной
в центр информации
Доставка
оперативной
информации
потребителю
Время сбора измерений
Время доставки
информации
Время обработки
Рис. 12.12. Временная диаграмма доставки информации потребителю
Время сбора измерений определяется как длительность временного
интервала, в течение которого ИТНП поступают от всех ССИ в центр
обработки. Опыт эксплуатации СДКМ показывает, что типовое время
сбора составляет 0,2...1 с. В отдельных случаях при использовании
в качестве канала передачи данных сети Интернет для удалённых точек
время сбора возрастает до 5 с.
Время обработки определяется быстродействием аппаратно-про-
граммных средств центра обработки и не превышает долей секунды,
т. е. практически не влияет на задержку доведения данных до потре-
бителя.
Третьей составляющей, вносящей существенный вклад в задержку
доведения КИ до потребителя, является время доставки информации
потребителям. Для доставки информации могут использоваться сле-
дующие наземные и космические каналы:
442
• канал доставки информации через КА на ГСО на основе радио-
сигнала в диапазоне частот космической радионавигационной службы,
выделенных для ГЛОНАСС;
• канал доставки информации через КА на низких орбитах на ос-
нове радиосигнала в диапазонах частот либо подвижной спутниковой
службы, либо радионавигационной службы;
• канал доставки информации через сеть Интернет на базе назем-
ных и космических систем подвижной связи.
В случае использования для доставки информации КФД систем
подвижной связи каких-либо серьёзных ограничений, кроме усложне-
ния АП из-за необходимости приёма дополнительных сигналов, нет.
)пыт создания каналов SiSnet для СДКМ и EGNOS показывает,
<то при использовании сетей мобильного Интернета (3G или GPRS)
зремя доставки этих данных составляет менее 5 с, а при распростра-
нении их через КА на низких орбитах, таких, например, как «Гонец»
Iridium,— не менее 30 с. При использовании КА на ГСО данная
вдержка в основном определяется буферизацией данных в земной
:Нции КФД, которая может достигать 3 с.
Таким образом, задержка Дтд доведения информации до потре-
г иг едя существенно сокращает временной интервал, в течение кото-
го можно эффективно использовать ЭВИ для высокоточных на-
гзционных определений. Информация, сформированная на основе
•!ТНП на момент to, поступает к потребителю в момент /о + Дтд
.. 12.13) и используется до момента поступления новых данных
в момент to + At + Дтд. При этом временной интервал, в течение кото-
ЭВИ актуальна (Га), сокращается, а в случае, когда At + Дтд> Та,
потребитель вынужден использовать потерявшую актуальность ин-
ацию.
Рис. 12.13. Диаграмма обновления КИ
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
’аналы доставки информации на основе систем подвижной связи
. . слагают наличие двусторонней связи между центром и потреби-
телем и позволяют обеспечить гарантированную доставку ЭВИ путём
-:ения запросов потребителя на обновление информации и кви-
. - _ о доставке.
443
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
В случае построения космического канала доставки на базе КА
на ГСО задача существенно усложняется, поскольку данный вид свя-
зи является односторонним и проверить факт доставки данных по-
требителю не представляется возможным. Указанные обстоятельства,
помимо требований по составу ЦИ и времени её обновления, накла-
дывают дополнительные требования по периодичности её повторения
с целью гарантированного доведения данных до потребителя.
Кроме указанных факторов при выборе параметров ЦИ необходи-
мо учитывать два возможных варианта её состава:
1) передачу полного набора эфемерид и ЧВП, которые можно ис-
пользовать без привлечения ЭВИ, содержащейся в навигационном
сообщении НКА;
2) передачу высокоточной корректирующей информации (ВКИ)
к бортовым эфемеридам и ЧВП, передаваемым в составе навига-
ционного сообщения радиосигналов соответствующих НКА.
Второй вариант является наиболее рациональным, распространён-
ным и стандартизированным. В качестве примера можно привести
стандарт RTCM 10403.1, приложение 5, который разрабатывался
именно с целью оптимизации объёма передаваемой информации при
решении задач высокоточного определения местоположения. Одна-
ко данный стандарт нельзя считать оптимальным для применения
в качестве основы для ЦИ радиосигнала КА на ГСО, поскольку
он разрабатывался для использования специализированных наземных
(3G, GPRS) и космических (Iridium, Inmarsat) систем беспроводной
связи, которые не накладывают ограничений на скорость передачи
ЦИ. Тем не менее типы, количество и параметры сообщений данного
стандарта позволяют оценить верхнюю границу объёма передаваемой
информации. Важным фактором, определяющим скорость передачи
данных, является также требование к периодичности повторения их
передачи. Поскольку при передаче информации через КА на ГСО
невозможно проверить факт доставки данных в АП, периодичность
повторения информации определяется необходимостью её гарантиро-
ванного доведения в условиях априорно заданной вероятности срыва
слежения за радиосигналом КА на ГСО.
Для определения периодичности повторения ЦИ можно исполь-
зовать выражение для оценки величины Рп совместной вероятности
приёма полного набора данных:
Дп = 1 - [1 - (1 - р)к]У, (12.13)
где р — вероятность срыва слежения за радиосигналом; V — количе-
ство бит ЦИ; U — количество повторений передачи ЦИ. Под ЦИ КФД
здесь и далее подразумевается передаваемый потребителю массив
данных, включающий КИ и информацию о целостности системы (ИЦ).
В случае передачи 210 бит ЦИ при вероятности срыва р= 0,0001
вероятность гарантированного доведения информации до потребителя
Рп = 0,99999 обеспечивается при 3-кратном повторении передачи 11,И.
444
Анализ тенденций развития глобальных и региональных навига-
ионных систем и их функциональных дополнений показывает, что
t среднесрочной перспективе актуальной становится задача построе-
<я системы, обеспечивающей передачу ЦИ по 160 НКА (см. гл. 7).
В такой системе при периодичности обновления ЭВИ 30 с ско-
:• сть передачи ЦИ для всей совокупности НКА составит 3360 бит/с.
Безусловно, на практике количество НКА может быть значитель-
но меньше, так как не все указанные НКА будут находиться в зоне
видимости потребителей в различных зонах обслуживания, а также
бщее количество может быть меньше заявленных значений. Тем
е менее опыт создания ШДПС доказывает необходимость учёта раз-
личных сценариев развития ГНСС при определении параметров ЦИ
- вых радиосигналов, которые будут использоваться не один деся-
лет.
Поскольку подобная скорость передачи ЦИ не может быть реа-
•- вана ни одним из существующих навигационных радиосигналов
ГЛОНАСС, необходимо разработать новый радиосигнал, удовлетво-
- лций данным требованиям.
Навигационной радиосигнал КФД в диапазоне АЗ. Концепция
г-азвития навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС преду-
.м?-ривает введение в диапазонах LI, L2 и L3 новых сигналов с ко-
д ?.ым разделением. Радиосигнал АЗ из этого семейства излучается
. рта НКА «Глонасс-К» № 11, запущенного в мае 2011 г.; передача
••о вых радиосигналов в диапазонах LA и А2 предполагается с борта
НКА «Глонасс-К» второго этапа, запуск первого из которых (№ 13)
руется в 2016 г.
Одним из важных достоинств радиосигнала ГЛОНАСС в диапа-
е L3 является тот факт, что в этом же диапазоне частот излучаются
радиосигналы НКА Galileo и Compass (см. рис. 7.19), т. е. для приёма
: - гаалов всех трёх систем может использоваться общая антенная си-
стема и аналоговая часть приёмного устройства АП. Таким образом,
зередача ЦИ в составе навигационного радиосигнала в диапазоне АЗ
•в ляет с минимальными затратами создать АП, способную осу-
эёствлять высокоточные навигационные определения.
Однако необходимая скорость передачи ЦИ КФД существенно
ревосходит параметры не только существующих, но и перспектив-
адиосигналов ГНСС и ШДПС.
В СДКМ по аналогии с другими ШДПС используется С/А-код
гемы GPS в диапазоне АГ Передаваемая информация кодируется
свёрточным кодом (К = 7, G1 = 171, G2 = 133) со скоростью г = 1/2.
е зная скорость передачи информации в радиоканале составляет
J ит с.
Параметры навигационных сигналов ГЛОНАСС, в которых также
пользуете я свёрточное кодирование, приведены в табл. 12.8. Как
едует из данных, представленных в таблице, скоростные возможно-
^вигационных сигналов диапазонов А1 и АЗ ограничены, и даже
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
445
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Таблица 12,8
Параметры навигационных сигналов ГЛОНАСС
Диапазон Сигнал Скорость передачи информации, бит/с Длина ДК Длительность ДК, мс
L1 1ЛОС 250 1023 2
L3 L3OC 100 10230 1
перспективные сигналы ГЛОНАСС не могут передать весь объём ин-
формации СДКМ с заданной скоростью 3 330 бит/с.
Анализ, проведённый в работе [91], показал, что, например, при пе-
редаче ЦИ с помощью BPSK модуляции сигнала L3OC и свёрточном
кодировании повышение скорости со 100 бит/с до 3330 бит/с требует
повышения энергопотенциала радиолинии примерно на 18 дБ Гц. Кро-
ме того, при скорости передачи информации 3330 бит/с длительность
информационного символа составляет около 150 мкс, т. е. меньше пе-
риода повторения дальномерной ПСП сигнала L3OC, который равен
1 мс. Очевидно, что при таком режиме модуляции корреляционные
свойства ПСП значительно ухудшаются.
Для повышения помехоустойчивости НИ в работах [92, 93] пред-
ложено вместо BPS К использовать модуляцию дальномерной ПСП
ортогональными сигналами.
Известно, что в когерентном канале оптимальными (минимизиру-
ющими вероятность ошибки) сигналами для передачи т бит информа-
ции является ансамбль из М = 2т симплексных (трансортогональных)
сигналов [9, 92], т. е. сигналов равной энергии Е$ с взаимной корре-
ляцией
т
J dt = --^, i*j, =
о
(BPSK-модуляция, являющаяся частным случаем симплексных сиг-
налов при т = 1, оптимальна для передачи только одного бита.)
При больших значениях М в когерентном канале практически та-
кую же, как симплексные сигналы, минимальную вероятность ошибки
при любом отношении сигнал/шум обеспечивают ортогональные сиг-
налы, для которых взаимная корреляция
Ts
J dt = 0,
о
Показано, что для фиксированной вероятности ошибки при приёме
одного двоичного символа, равной 10“5, при использовании ортого-
нальных сигналов необходимая мощность сигнала уменьшается более
чем в 2 раза при т = 5 и почти в 4 раза при т = 10 [9, 92].
446
Простой и очевидный способ формирования и приёма ортогональ-
а сигналов в ГНСС может быть основан на использовании ортого-
ильиости сдвинутых по времени кодовых ПСП. Основное свойство
К - гигналов ГНСС — близкое к нулю значение КФ при любом отлич-
- v , .т нулевого сдвиге последовательности по времени. Так, уровень
'• • вых лепестков КФ для перспективных сигналов ГНСС не превы-
шает —30 дБ, поэтому сдвинутые по времени сигналы ГНСС можно
ть ортогональными:
TS
/?([/ — /]тс) = J S(t - ztc)S(/ - /тс) dt =
о
'1, / = /;
О, i j.
Ъким образом, если каждому блоку 0 = {0),..., 0m} из т бит входной
вой последовательности сопоставить один из возможных сдви-
П, то получим М ортогональных сигналов.
Основным недостатком ортогональных сигналов, препятствую-
а широкому распространению в системах радиосвязи, является
, М 2т .
чггельное (примерно в = — раз) расширение их спектра
нию с BPSK. Однако при использовании ортогональных
в для передачи цифровой информации в ГНСС это несуще-
змм- поскольку ширина спектра навигационных сигналов в насто-
время составляет от нескольких единиц до десятков мегагерц,
значительно превышает ширину полосы ортогональных сигна-
— = R — при любых приемлемых значениях Rum. Например,
= ' занимаемая полоса частот увеличивается в 32 раза и при
. ООО бит/с составляет десятки килогерц, что на 3 порядка меньше
у?- .пектра современного ГНСС сигнала. Поэтому ортогональ-
«алы для передачи цифровой информации в ГНСС можно
ать в рамках уже имеющегося частотного ресурса системы,
т отметить, что традиционные коды с двоичным основанн-
ое. чяемые в ГНСС для исправления ошибок (коды Хемминга
ГЛОНАСС с частотным разделением и в С/А-сигналах
F > точный код в сигналах Galileo и при модернизации GPS
1АСС), становятся малоэффективными из-за группирования
- -анале с ортогональными сигналами. Группирование ошибок
вследствие того, что ошибка в оценке номера УИ-ичного
' «ального сигнала, т. е. блока 0, приводит к ошибке в среднем
ледовательно идущих двоичных символов {01,... 0 л/}.
Г : <од от традиционной BPSK к ортогональным сигналам целе-
• < дополнить заменой стандартных кодов на коды с основани-
ъединение модулятора ортогональных сигналов и блокового
В в : у.тьтате даёт каскадный код. Внешний код выбирается не-
jm с выбором кодового символа из алфавита М = 2т симво-
I - ер код Рида — Соломона «р_с(2т — 1,/г). Длина кода Ри-
омона N = М — 1, число информационных символов k. Число
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
447
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
М - k
исправляемых ошибок Е = —-— может меняться от 1 до 2(/ц — 2). Та-
кое число исправляемых ошибок является максимально возможным
среди всех кодов. В качестве внутреннего кода целесообразно ис-
пользовать модулятор ортогональных сигналов (2т, т). Тогда каждому
символу кода Рида — Соломона ставится в соответствие свой ортого-
нальный сигнал. Процедура кодирования каскадным кодом показана
на рис. 12.14.
Таким образом, общее число двоичных символов, кодируемых од-
ним кодовым словом каскадного
статочно велико
М ......... 5
«Р-с 31
^к.к ..... 155
кода, равно пкк = т(2т — 1), т. е. до-
при т > 5:
6 7 8 9 10 11 12 13
63 127 255 511 1023 2047 4095 8191
378 889 2040 4599 10230 22517 49140 106483
Зависимость скорости передачи информации от длительности псев-
дослучайной последовательности навигационного сигнала при различ-
ных значениях т показана на рис. 12.15, а. Увеличение числа М = 2т
ортогональных сигналов, несомненно, приводит к возрастанию скоро-
сти передачи, но одновременно с этим растёт сложность реализации
приёмника, поскольку появляется необходимость иметь в АП допол-
нительно М корреляторов (рис. 12.15, б).
На рисунке видно, что при линейном увеличении скорости коли-
чество необходимых корреляторов возрастает по экспоненциальному
закону. Поэтому разумно использовать каскадный код. в котором чис-
ло ортогональных сигналов не превышает 512. При т = 9 параметры
внутреннего кода (512,9), а длина блока каскадного кода в этом случае
составляет 4 599 бит.
Следует отметить, что при фиксированной длительности информа-
ционного символа зависимость вероятности ошибки от числа прове-
рочных символов в блочном коде имеет немонотонный характер. Дей-
ствительно, при фиксированных значениях энергопотенциала и скоро-
сти передачи энергия одного проверочного символа внутреннего кода
уменьшается с ростом числа символов, что обусловливает увеличе-
ние вероятности ошибки внутреннего кода. При малом количестве
проверочных символов это увеличение незначительно по сравнению
с возрастающей исправляющей способностью внешнего кода, по-
этому вероятность ошибки каскадного кода уменьшается. В какой-
то момент энергия символа снижается настолько, что код Рида — Со-
ломона уже не может компенсировать ошибку приёма ортогональных
сигналов и вероятность ошибки приёма блока каскадного кода начнёт
возрастать.
Соответственно возникает задача поиска оптимального количе-
ства проверочных символов в коде Рида — Соломона. Результаты
расчётов вероятностей ошибок кода (511,/?) при энергопотенциа-
ле 38, 38,5 и 39 дБ Гц и скорости передачи 4 500 бит/с приведены
на рис. 12.16. На рисунке видно, что минимальная вероятность ошибки
448
Рис. 12.14. Структура каскадного кодирования и декодирования
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
а б
Рис. 12.15. Зависимость скорости передачи информации (а) и количества необходимых корреляторов (б) от длительности
псевдослучайной последовательности навигационного сигнала
Число исправляемых символов в коде Рида—Соломона
Рис. 12.16. Вероятность ошибки в коде Рида —
Соломона:
-----С/NQ = 38 дБ Гц;----С/No = 38.5 дБ Гц:
----------------C/No = 39 дБ Гц
Информационные биты
Проверочные биты
Заголо-
вок
49 бит
3366 бит
1134 бит
Рис. 12.17. Структура кадра КФД
Рис. 12.18. Формирование и приём ортогональных сигналов
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
С Vo = 38.5 дБ Гц достигается при числе исправляемых символов
64. Таким образом, для повышения скорости передачи информа-
1 .ДКМ в структуру сигнала L3 ГЛОНАСС необходимо добавить
адный кодер с параметрами внутреннего кода (512,9) и внеш-
(511.383). т. е. с кодовой скоростью г = 3/4. В таком случае
длительности символа 2 мс, равной двум периодам ПСП сигнала
ЛОНАСС, и т = 9 скорость передачи информации составляет
ит с.
451
Глава 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС для высокоточных навигационных определений
Таблица 12.9
Сравнение сигналов СДКМ, QZSS и КФД
Система Скорость, бит/с Информа- ционная скорость, бит/с Кодовая ско- рость Требуемый C/No, дБ Гц Мощность сигнала, дБ Вт Реальный C/No, дБ Гц Запас, дБ Гц
сдкм 500 250 1/2 31,1 -161 39 7,9
QZSS 2000 1744 7/8 35,1 -155,7 44,3 9,2
КФД 4 500 3 366 38,1 -157,9; -155,6 42,1; 44,4 4; 6,3
Возможная структура кадра приведена на рис. 12.17. Длина кадра
составляет 4500 бит, из которых 1 134 бита проверочные. Из остав-
шихся 3366 информационных битов для передачи полезной информа-
. и используются 3317.
При кодировании к информационным битам добавляется блок
из 11 9-битовых символов, известных кодеру и декодеру. Этот блок
•е передаётся потребителю, таким образом, получается укороченный
• д Рида — Соломона [94]. К принятым 500 символам внешнего ко-
да добавляются известные 9-битовые символы, после чего операция
декодирования кода Рида — Соломона (511,383) выполняется по из-
стной процедуре.
С
Минимальное необходимое значение — для приёма предлагав-
Л/о
мой структуры составляет 38,1 дБ Гц при вероятности ошибки 10-5.
В КФД возможно создать запас энергопотенциала от 4 до 6,3 дБ Гц
<табл. 12.9). В существующих системах WAAS и QZSS запас состав-
ляет 7,9 и 9,2 дБ Гц соответственно, причём мощность принимаемого
. гнала LEX QZSS равна —155,7 дБ Вт.
Схема формирования и приёма ортогонального радиосигнала КФД
.иапазоне L3 показана на рис. 12.18.
Следует отметить, что, в отличие от традиционного приёмного уст-
ройства, для приёма предлагаемого радиосигнала необходимо в АП
дополнительно реализовать 512 интеграторов (соответствует количе-
:тву используемых ортогональных сигналов). Решение указанной за-
дачи приводит к некоторому увеличению габаритов и энергопотреб-
ления приёмного устройства. Однако данный сигнал предполагается
-.пользовать для решения задач высокоточного определения место-
положения, которые предусматривают использование многочастотной
ХП, массогабаритные, энергетические и вычислительные возможности
в любом случае существенно превосходят возможности стандартных
персональных навигаторов. Поэтому при современном развитии мик-
ш электроники построение приёмного устройства, включающего до-
п лнительные 512 интеграторов, не является существенным препят-
ствием на пути построения подобного приёмного устройства. Кро-
ме того, во многих современных приёмниках уже предусмотрен блок,
: сдназначенный для быстрого входа в синхронизм и содержащий
* тысяч до сотен тысяч параллельных корреляторов. После при-
нятия сигнала хотя бы одного спутника этот блок не используется.
Проведённый анализ позволяет утверждать, что без существенного
увеличения сложности и стоимости такой блок может быть доработан
пя последующего приёма ортогональных сигналов от всех спутников:
количество корреляторов в схемах быстрого поиска позволяет это сде-
эть.
12.3. Отечественный высокоточный комплекс функционального дополнения ГНСС
Литература
Литература
1. Williams J.E.D. From Sails to Satellites: The Origin and Development
of Navigational Science / J. E. D. Williams. Oxford University Press, 1993.
2. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория: Справоч-
ник / под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007.
3. Радиотехнические системы / под ред. Ю. М. Казаринова. М.: Высшая
школа, 1990.
4. Бакулев П.А. Радионавигационные системы / П. А. Бакулев, А. А. Сос-
новский. М.: Радиотехника, 2011.
5. Encyclopedia Britannica. Encyclopedia Britanica Inc., 2003.
6. Мандельштам Л. И. Способ определения при помощи электромаг-
нитных волн положения пункта / Л. И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси,
Е. Я. Щеголев. Патент № 47438 от 30.06.1936.
7. Радионавигационный план Российской Федерации. М.: Интернавига-
ция, 2010.
8. Решетнев М. Ф. Развитие спутниковых радионавигационных систем //
Инф бюллетень НТИ. М.: Интернавигация, 1992.
9. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред.
А. И. Перова, В. Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2010.
10. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред.
В. С. Шебшаевича. М.: Радио и связь, 1993.
Поваляев А. А. Спутниковые радионавигационные системы: время,
показания часов, формирование измерений и определение относительных ко-
ординат / А. А. Поваляев. М.: Радиотехника, 2008.
12. Космические траекторные измерения. Радиотехнические методы из-
мерений и математическая обработка данных / под ред. П. А. Агаджанова,
В. Е. Дулевича, А. А. Коростелева. М.: Советское радио, 1969.
13. Шебшаевич В. С. Основные возможности использования ИСЗ для
радионавигации самолетов: Докл. на семинаре ЛВВИА 25.12.57 / Инфор-
мационный сборник. 1958. № 33.
14. Continuation of the GALILEO Project: the Commission Underlines the
Need for Rapid Decisions & European Commission — IP/00/1336, 22.11.2000.
15. Перов А. И. Основы построения спутниковых радионавигационных
систем / А. И. Перов. М.: Радиотехника, 2012.
16. Глобальная навигационная спутниковая система. Интерфейсный кон-
трольный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах 1Л и L2. Ре-
дакция 5.1. РНИИ КП. 2008.
17. Научно-технические серии. Вып. 1. Спутниковые радионавигацион-
ные системы / под ред. М. С. Ярлыкова. М.: Радиотехника, 2013.
18. Rao V. G. Analysis of IRNSS Over Indian Subcontinent / V. G. Rao,
G. Lachapelle, S. B. Vijay Kumar // Proceedings of the 2011 International Tech-
nical Meeting of The Institute of Navigation. San Diego, CA, January 2011,
P. 1150-1162.
19. Kaplan E.D. Understanding GPS. Principles and Applications /
E. D. Kaplan, C. J. Hegarty. L.: Artech House, 2006.
454
- . Информационные технологии в радиотехнических системах / под ред.
Е. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.
21. Тихонов В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических уст-
ройств и систем / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. М.: Радио и связь, 1991.
22. Slater J. A. The International GLONASS Experiment (IGEX-98): Or-
2 miration, Preliminary Results and Future Plans / J. A. Slater, P. Willis,
G Beutler et al. // Proceedings of the 12th International Technical Meeting
. Satellite Division of The Institute of Navigation. Nashville, TN. Septem-
14-17, 1999 P. 2293-2302.
23. Parkinson Bradfoed W. Global Positioning System: Theory and Ap-
г..nations (Volume One) / Bradfoed W. Parkinson, James J. Spilker. American
stitute of Aeronautics and Astronautics. Washington, 1996.
24. Heng L. Statistical Characterization of GLONASS Broadcast Ephemeris
E~or, L. Heng, G. Gao, T. Walter, P. Edge // Proceedings of the 24th Interna-
•1 Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.
Portland, OR. September 20-23, 2011. P. 3109-3117.
25. European GNSS (Galileo) Open Service. Signal in Space Interface
rol Document. EC, 2010.
26. Leick A. GPS Satellite Surveying / A. Leick. Wiley, 2004.
. Borre K. A Software-Defined GPS and Galileo Receiver / K. Borre,
2». Akos, N. Bertelsen et al. Boston: Birkhauser, 2007.
_8. Постановление Правительства Российской Федерации от 28 декабря
_ _г. № 1463 «О единых государственных системах координат».
29. Жуков А.Н. Основные направления повышения точности эфемерид-
- г ременного обеспечения ГЛОНАСС / А.Н. Жуков, Е. В. Титов // Труды
--Й ИПА РАН. Вып. 27. С. 190-195.
30. Revnivykh S. GLONASS Status and Modernization / S. Revnivykh //
f • ceedings of the 25th International Technical Meeting of the Satellite Di-
• s:on of the Institute of Navigation. Nashville, TN. September 17—21, 2012,
‘ 18-552.
31 Hofmann-Wellenhof B. Navigation. Principles of Positioning and Guid-
»nce В Hofmann-Wellenhof, K. Legat, M. Wieser. Wien: Springer-Verlag,
_ 3.
32. Department of Defense. Global Positioning System Standard Position-
2 Service Performance Standard. September 2008.
33. Presidential Decision Directive NSTC-6. The White House. Washing-
March 28, 1996.
34. www.sdcm.ru
35. Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces. Systems En-
2 leering and Integration Interface Specification. Global Positioning Systems
Z ectorate. IS-GPS-200G.
36. Marquis Willard. Design of the GPS III Space Vehicle / Willard Mar-
quis, Michael Shaw // Proceedings of the 24th International Technical Meeting
The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2011). Port-
land, OR, September 2011. P. 3067-3075.
37. Blanchard David. Galileo Program Status Update / David Blanchard //
Proceedings of the 25th International Technical Meeting of The Satellite Division
Литература
455
Литература
of the Institute of Navigation (ION GNSS 2012). Nashville, TN. September
2012, P. 553-587.
38. BeiDou Navigation Satellite System. Interface Control Document. Open
Service Signal ВII. Version 1.0. China Satellite Navigation Office. December
2012. 77 p.
39. Fujita Seigo Ionosphere Total Electron Content Estimation Based on
GNSS Regression Models at Known Positions / Seigo Fujita. Yukihiro Kubo,
Sueo Sugimoto // International J of Innovative Computing, Information and
Control ICIC International. January 2009. Vol. 5. No. 1. P. 139—152.
40. Minimum Operational Performance Standards for Global Position-
ing/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment, RTCA/DO-229D,
Prepared by SC-159. RTCA Inc. Washington, D. C., December 13, 2006.
41. Shaowei Han. Carrier Phase-Based Long-Range GPS Kinematic Po-
sitioning / Han Shaowei. UNISURV S-49, 1997.
42. Xu G. GPS. Theory, Algorithms and Applications / G.Xu. Springer,
2007. 340 p.
43. Remondi B. W. Kinematic and Pseudo-Kinematic GPS / B. W. Re-
mondi // ION GPS-88, 1st International Technical Meeting of the Satellite
Division of the Institute of Navigation, 1988. P. 115—121.
44. Remondi B. W. Using the Global Positioning System (GPS) Phase Ob-
servable for Relative Geodes: Modeling, Processing, and Results / Center for
Space Research. The University of Texas at Austin, 1984.
45. Липкий И. А. Спутниковые навигационные системы / И.А.Липкин.
М.: Вузовская книга, 2001. 288 с.
46. Пензин К. В. Алгоритм оперативной обработки многошкальных из-
мерений по критерию максимального правдоподобия / К. В. Пензин // Ра-
диотехника и электроника. 1990. Т. 25. № 1. С. 97—106.
47. Поваляев А. А. Об оценке максимального правдоподобия в многока-
нальном измерительном устройстве / А. А. Поваляев // Радиотехника и элек-
троника. 1976. Т. 21. № 5. С. 1042-1049.
48. Поваляев А. А. Задача фильтрации при неоднозначных фазовых из-
мерениях // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 8. С. 972—981.
49. Frei Е. Rapid Static Positioning Based on the Fast Ambiguity Resolution
Approach (FARA): Theory and First Results / E. Frei, G. Beutler//Manuscripts
Geodetics, 1990. Vol. 15. P. 325-356.
50. Landau H., Euler H.J. On-The-Fly Ambiguity Resolution for Precision
Differential Positioning / H. Landau, H.J. Euler // ION GPS-92, 5th Interna-
tional Technical Meeting of the satellite Division of the Institute of Navigation.
Colorado Springs, Colorado, 1992. P. 607—613.
51. Abidin H.A. Computational and Geometrical Aspects of On-The-Fly
Ambiquity Resolution / H.A.Abidin. Canada: University of New Brunswick,
1993.
52. Hatch R. R. Instantaneous Ambiguity Resolution Kinematic Systems
in Geodesy, Surveying and Remote Sensing / R. R. Hatch // I AG Symposium
107. 1990. P. 299-308.
53. Chen D. Fast Ambiguity Search Filtering (FASF): A Novel Concept
for GPS Ambiguity Resolution / D. Chen // ION GPS-93. 6th International
456
Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Salt
Lake City, UT, 1993. P. 781-787.
54. Jounge P. de. The LAMBDA Method for Integer Ambiguity Estimation:
Implementation Aspects / P. de Jounge, C. Tiberius. Delft Geodetic Computing
Centre, 1996.
55. Tiberius C.C.J.M. Fast Positioning Using the LAMBDA-Method /
С. C. J. M. Tiberius, P. J. de Jonge // DSNS-95, 4th International Symposium
on Differential Satellite Navigation Systems, 1995. P. 30—38.
56. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении / В. Линд-
сей. М.: Советское радио, 1978.
57. Невзоров Р.А. Критерий разрешения неоднозначности фазовых из-
мерений GPS приёмников при оценивании относительных координат непо-
движных объектов / Р.А. Невзоров // Радиотехника. 2003. № 6. С. 3—9.
58. Королюк В. С. Справочник по теории вероятностей и математической
статистике / В. С. Королюк, Н. И. Портенко и др. М.: Наука, 1985.
59. Дунин-Барковский И. В. Теория вероятностей и математическая ста-
тистика в технике / И. В. Дунин-Барковский, Н. В. Семенов. М.: Гостехиздат,
1955.
60. Gratton L. Ephemeris Failure Rate Analysis and Its Impact on Category
I LAAS Integrity / L. Gratton, R. Pramanik, H. Tang, B. Pervan // Proceedings
of ION GNSS 2007, September 2007. Fort Worth, TX.
61. Tholert S. GPS SVN49 —LI Anomaly Analysis based on Measure-
ments with a High Gain Antenna / S. Tholert, S. Erker, O. Montenbruck et al. //
4th European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing. Oberpfaf-
fenhofen. 2009.
62. Walter T. Evaluation of Signal in Space Error Bounds to Support Avia-
tion Integrity / T. Walter, J. Blanch, P. Enge // Navigation. 2010. Vol. 57. No. 2.
P. 101-113.
63. Grewal Mohinder S Global Navigation Satellite Systems, Inertial Navi-
gation, and Integration / Mohinder S. Grewal, Angus P. Andrews, Chris G.
Bartone. Willey, 2013.
64. Phase II of the GNSS Evolutionary Architecture Study // FAA. 2010.
65. Isoz Oscar. Assessment of GPS Ll/Galileo £1 Interference Monitoring
System for the Airport Environment / Oscar Isoz, Dennis Akos, Tore Lindgren
et al. // Proceedings of the 24th International Technical Meeting of The Satel-
lite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2011). Portland, OR,
September 2011. P. 1920-1930.
66. Williams A.G.P. GPS Jamming and the Impact on Mari-
time Navigation / A. G. P. Williams. N.Ward, S.Basker // J. of Navigation.
April 2009. Vol. 62. No. 2. P. 173-187.
67. Parkinson B. W. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the
Pseudorange Residual / B. W. Parkinson, P. Axelrad // Navigation. 1988. No. 35.
P. 255-274.
68. Watt G. T. Lessons Learned in the Certification of Integrity for a Satellite-
Based Navigation System / G. T. Watt, R. M. Fries, H. L. Habereder et al. //
Proceedings of the 2003 National Technical Meeting of The Institute of Navi-
gation. Anaheim, CA. January 22—24, 2003. P. 670—682.
Литература
457
Литература
69. Software Consideration in Airborne Systems and Equipment Certifica-
tion (DO-178C) / RTCA. 2011.
70. Merino Miguel M. Romay. Integrity for Advanced Precise Positioning
Applications / Miguel M. Romay Merino, Maria D. Lainez // Proceedings of the
25th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of
Navigation (ION GNSS 2012). Nashville, TN. September 2012. P. 2742-2758.
71. Sisnet User Interface Document. No. 3. Rev. 1, 2006.
72. Конвенция международной гражданской авиации. Т. 1: Радионавига-
ционные средства. Приложение 10.
73. Global Positioning System: Theory and Applications / Edited by
B. W. Parkinson, J.J. Spilker Jr. Published by the American Institute of Aero-
nautic and Astronautics Inc. Stanford, 1996.
74. Демьянов Г. В. Результаты работ по созданию новой государственной
геоцентрической системы координат (ГГСК) в рамках ФЦП ГЛОНАСС /
Г. В. Демьянов // Геодезия и картография, 2012. № 2. С. 22—24.
75. Дворкин В. В. Анализ состояния и перспектив развития техноло-
гий высокоточного местоопределения по сигналам ГНСС / В. В. Дворкин,
С. Н. Карутин, П. Б. Глухов // Радиотехника, 2011. № 3, С. 4—13.
76. Intern. GNSS Service Strategic Plan 2008—2012. IGS Central Bureau.
Pasadena, USA: Jet Propulsion Laboratory, 2008.
77. Kouba J. GPS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products /
J. Kouba, P. Heroux // Physics and Chemistry of the Earth. 2001. Pt. A. Vol. 26.
No. 6-8. P. 573-578.
78. Mervant L. Precise Point Positioning with Ambiguity Resolution in
Real-Time / L. Mervant et al. // Proc. ION GNSS 21th International Technical
Meeting of The Satellite Division. Savannah, USA, 2008. P. 397—405.
79. Карутин С. H. Высокоточное местоопределение по сигналам ГНСС
с использованием уточненной эфемеридно-временной информации / С. Н. Ка-
рутин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2010.
№ 3. С. 43-56.
80. McCarthy D.D. IERS Conventions 2003 (Technical Note 32) /
D. D. McCarthy, G. Petit. Frankfurt am Main, 2004.
81. ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/station/general/igs05.atx
82. Laurichesse D. Real-time PPP with Undifferenced Integer Ambiguity
Resolution, Experimental Results / D. Laurichesse, F. Mercier, J. P. Berthias //
23rd International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute
of Navigation. Portland, OR. September 21—24, 2010. P. 2534—2544.
83. Collins P. Isolating and Estimating Undifferenced GPS Integer Ambi-
guities I P. Collins // ION NTM 2008. January 28—30, 2008. San Diego, CA.
P. 720-732.
84. Ge M. Resolution of GPS Carrier Phase Ambiguities for Precise Point
Positioning (PPP) with Daily Observations / M. Ge, G. Gendt, M. Rothacher
et al. // J. Geod. 2008. Vol. 82. No. 7. P. 389-399.
85. Мелгард T. Новый сервис высокоточного позиционирования G2 для
GPS и ГЛОНАСС / Т. Мелгард, Э. Виджен, О. Орпен, Д. Хельга Улштайн //
Геопрофи. 2010. № 5. С. 11 — 17.
458
86. Дворкин В. В. Оптимизация состава глобальной сети измерительных
станций для высокоточного навигационно-временного обеспечения потреби-
телей ГЛОНАСС / В. В. Дворкин, С. Н. Карутин // Гироскопия и навигация.
2013. Т. 81. № 2. С. 3-13.
87. Bernese GPS Software / Edited by U. Hugentobler, R. Dach, P. Fridez;
Astronomical Institute University of Bern. 2005.
88. Косенко В. E. Залог стабильности системы / В. Е. Косенко, В.Д. Зво-
нарь, С. В. Сторожев // Информационные спутниковые системы. 2012. № 14.
С. 13.
89. Parkinson Bradfoed W. Global Positioning System: Theory and Ap-
plications (Volume One) / Bradfoed W. Parkinson, James J. Spilker; American
Institute of Aeronautics and Astronautics. Washington, 1996.
90. Gao G.X. Methodology and Case Studies of Signal-in-Space Error Cal-
culation Top-Down Meets Bottom-Up / G. X. Gao, H. Tang, J. Blanch et al. //
Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of the Satellite Di-
vision of the Institute of Navigation. Savannah, GA, September 22—25, 2009.
P. 2824-2831.
91. Карутин A.H. Использование ортогональных сигналов для повыше-
ния скорости передачи информации в системе дифференциальной коррекции
и мониторинга ГНСС / А. Н. Карутин, С. Н. Карутин, В. Н. Харисов // Ра-
диотехника. 2012. № 6. С. 131 — 139.
92. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи / Э. Д. Витерби. М.: Со-
ветское радио, 1970.
93. Прокис Дж. Цифровая связь / Дж. Прокис. М.: Радио и связь, 2000.
94. Берлекэмп Э. Алгебраическая теория кодирования / Э. Берлекэмп.
М.: Мир, 1971.
Литература
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................ 3
Список основных сокращений.......................... 7
Введение. История навигации: от древности до наших дней . 8
В. 1. Зарождение систем навигационного обеспечения ...... 9
В.2. Эпоха Античности................................... 11
В.З. Средние века....................................... 15
В.4. XVII—XVIII века ................................... 23
В.5. XIX—XX века ....................................... 31
Оглавление
Глава 1. История развития и принципы радионавигации ... 36
1.1. Основные понятия и определения...................... 37
1.2. История развития радионавигационных систем наземного ба-
зирования ............................................... 39
1.2.1. Угломерные методы радионавигации .............. 39
1.2.2. Дальномерные методы радионавигации... ......... 43
1.3. Спутниковые радионавигационные системы первого поколения 50
1.4. Спутниковые радионавигационные системы второго поколения
(глобальные навигационные спутниковые системы)........... 57
1.4.1. Концепция построения .......................... 57
1.4.2. Обобщённая структурная схема ГНСС.............. 59
1.4.3. Тенденции развития ГНСС........................ 61
Глава 2. Координатно-временное обеспечение глобальных
навигационных спутниковых систем ......................... 62
2.1. Системы отсчёта (шкалы) времени ..................... 63
2.1.1. Единицы измерения времени....................... 63
2.1.2. Принцип работы квантовых стандартов частоты и времени 65
2.1.3. Календарь ..................................... 71
2.2. Системы координат, применяемые в ГНСС................ 73
Глава 3. Методы навигационно-временных определений,
используемые в глобальных навигационных
спутниковых системах .................................... 76
3.1. Методы НВО, основанные на измерении задержки сигнала .. 77
3.1.1. Дальномерный метод............................. 77
3.1.2. Псевдодальномерный метод....................... 79
3.1.3. Разностно-дальномерный метод................... 80
3.2. Методы, основанные на измерении доплеровского сдвига .... 81
3.2.1. Радиально-скоростной метод..................... 81
3.2.2. Псевдорадиально-скоростной метод .............. 82
3.2.3. Разностный радиально-скоростной метод.......... 82
3.3. Другие методы НВО в ГНСС ........................... 84
Глава 4. Навигационные радиосигналы.......................... 88
4.1. Общие требования к радиосигналам ГНСС .............. 89
4.2. Потенциальная точность измерения (оценки) радионавигацион-
ных параметров........................................... 92
4.2.1. Потенциальная точность измерения (оценки) задержки .. 92
4.2.2. Потенциальная точность измерения доплеровской частоты 93
4.3. Разрешающая способность при одновременном наблюдении
нескольких сигналов ..................................... 95
4.4. Виды модуляции, используемые в ГНСС................. 97
4.4.1. Бинарная фазовая манипуляция................... 97
4.4.2. Меандровые шумоподобные (ВОС) сигналы ......... 100
4.4.3. Комбинированные меандровые сигналы ............ 107
Глава 5. Навигационная аппаратура потребителя ................ПО
5.1. Состав навигационной аппаратуры потребителя и назначение
основных функциональных узлов............................. 111
5.2. Радиочастотный блок................................ 113
5.2.1. Антенна ....................................... 113
5.2.2. Приёмное устройство ........................... 115
460
5.2.3. Аналого-цифровой преобразователь .............. 116
5.2.4. Опорный генератор и синтезатор частот.......... 117
5.3. Принципы, алгоритмы и устройства первичной обработки на-
вигационной информации .................................. 118
5.3.1. Оценка параметров ВС потребителя как задача оптималь-
ной фильтрации ................................ 118
5.3.2. Принцип построения алгоритмов поиска и обнаружения
сигнала НКА...................................... 120
5.3.3. Устройства поиска и обнаружения сигнала ....... 122
5.3.4. Фильтрация РНП и демодуляция НС .............. 126
5.4. Вторичная обработка навигационной информации....... 133
5.4.1. Одношаговый алгоритм оценки навигационных параметров 133
5.4.2. Алгоритмы вторичного сглаживания НП ........... 135
5.4.3. Фильтрация НП при вторичной обработке.......... 135
5.4.4. Одноэтапные алгоритмы обработки сигналов в АП . 136
5.4.5. Вспомогательные и сервисные функции АП......... 138
Глава 6. Модели первичных измерений навигационных
параметров и точность навигационно-временных
определений ............................................. 140
6.1. Модели первичных измерений текущих навигационных пара-
метров .................................................. 141
6.2. Точность навигационно-временных определений по сигналам
ГНСС ................................................ 144
6.3. Погрешности, вносимые на трассе НКА — потребитель... 146
6.4. Погрешности АП .................................... 154
6.4.1. Влияние нестабильности опорного генератора.... 155
6.4.2. Шумовые (флуктуационные) ошибки следящих систем .. 156
6.4.3. Бюджет погрешностей аппаратуры потребителей ... 157
6.5. Геометрический фактор ............................. 158
Глава 7 Глобальные навигационные спутниковые системы . 160
7.1. ГЛОНАСС............................................ 161
7.1.1. История создания .............................. 161
7.1.2. Система координат и шкала времени.............. 164
7.1.3. Услуги ГЛОНАСС................................. 166
7.1.4. Орбитальная группировка ....................... 167
7.1.5. Наземный комплекс управления................... 168
7.1.6. Параметры и структура сигналов и сообщений .... 173
7.1.7. Перспективы развития системы ГЛОНАСС........... 185
7.2. NAVSTAR/GPS ..................... 187
7.2.1. История создания .............................. 187
7.2.2. Система координат и шкала времени.............. 193
7.2.3. Услуги GPS .................................... 195
7.2.4. Орбитальная группировка ....................... 199
7.2.5. Наземный комплекс управления................... 200
7.2.6. Параметры и структура сигналов и сообщений .... 202
7.2.7. Перспективы развития системы GPS .............. 211
7.3. Galileo............................................ 217
7.3.1. История создания .............................. 217
7.3.2. Система координат и шкала времени.............. 221
7.3.3. Услуги Galileo................................. 221
7.3.4. Орбитальная группировка ..................... 224
7.3.5. Наземный комплекс управления................... 226
7.3.6. Параметры и структура сигналов и сообщений .... 227
7.3.7. Перспективы развития Galileo................... 233
7.4. Beidou/Compass..................................... 236
7.4.1. История создания ............................. 236
7.4.2. Система координат и шкала времени............. 239
7.4.3. Орбитальная группировка ...................... 239
7.4.4. Наземный комплекс управления.................. 241
7.4.5. Параметры и структура сигналов и сообщений ......... 243
7.4.6. Услуги, предоставляемые ГНСС Beidou ........... 245
7.4.7. Планы развёртывания ГНСС Beidou-2............. 246
Оглавление
461
Оглавление
7.5. Региональные спутниковые радионавигационные системы
QZSS и IRNSS ............................................ 247
7.5.1. Общие сведения................................. 247
7.5.2. Система QZSS................................... 247
7.5.3. Система IRNSS.................................. 255
Глава 8. Дифференциальная навигация ..........................258
8.1. Основные принципы дифференциальной навигации........ 259
8.2. Пространственная и временная корреляция погрешностей на-
вигационных определений.................................. 261
8.2.1. Погрешности эфемеридно-временного обеспечения . 261
8.2.2. Погрешности, обусловленные тропосферной рефракцией 262
8.2.3. Погрешности, обусловленные ионосферной рефракцией . 265
8.3. Методы дифференциальной коррекции................... 267
8.3.1. Локальные ДПС ................................. 267
8.3.2. Региональные ДПС............................... 270
8.4. Широкозонные дифференциальные подсистемы............ 272
8.4.1. Общие принципы построения ................... 272
8.4.2. Проект WAAS ................................... 274
8.4.3. Проект EGNOS................................... 285
8.4.4. Проект MSAS ................................... 293
8.4.5. Проект GAGAN................................... 298
8.5. Методы относительных измерений ..................... 304
8.5.1. Классификация.................................. 304
8.5.2. Принципы относительных измерений............... 305
Глава 9 Целостность навигационного обеспечения................318
9.1. Основные принципы обеспечения целостности........... 319
9.1.1. Причины нарушения целостности навигационного обеспе-
чения ................................................ 319
9.1.2. Требования к целостности навигационного обеспечения , 321
9.2. Автономные методы мониторинга целостности........... 325
9.3. Обеспечение целостности с помощью систем функциональных
дополнений............................................... 328
Глава 10. Российская система дифференциальной
коррекции и мониторинга.......................................342
10.1. Общие сведения .................................... 343
10.1.1. История создания СДКМ ........................ 343
10.1.2. Назначение и области применения............... 346
10.2. Принципы построения и функционирования............. 348
10.2.1. Архитектура .................................. 348
10.2.2. Комплекс сбора измерений ..................... 349
10.2.3. Комплекс обработки данных.................... 357
10.2.4. Комплекс доставки информации СДКМ............. 367
10.2.5. Комплекс контроля ............................ 372
10.2.6. Подсистема информационного взаимодействия .... 373
10.3. СДКМ: возможности использования и перспективы развития 376
10.3.1. Результаты использования информации СДКМ ..... 376
10.3.2. Программа развития СДКМ ...................... 379
Глава 11. Высокоточные навигационные определения .............380
11.1. Методические основы высокоточного определения местопо-
ложения ................................................. 381
11.1.1. Предпосылки развития технологий высокоточных нави-
гационных определений................................. 381
11.1.2. Расширенные модели первичных измерений........ 383
11.2. Методы оценки параметров моделей первичных измерений на-
вигационных параметров................................... 385
11.2.1. Высокоточная эфемеридно-временная информация .... 385
11.2.2. Релятивистские эффекты ....................... 388
11.2.3. Гравитационно-приливные эффекты............... 389
11.2.4. Эффекты, обусловленные положением НКА в простран-
стве ................................................. 393
462
11.2.5. Атмосферные эффекты.......................... 396
11.2.6. Аппаратурные задержки........................ 398
11.2.7. Уточнённые модели первичных измерений ....... 402
11.3. Высокоточное определение местоположения........... 403
11.3.1. Расширенный вектор состояния потребителя..... 403
11.3.2. Обработка первичных измерений в реальном времени .. 403
11.3.3. Апостериорная обработка первичных измерений... 407
11.3.4. Характеристики алгоритмов высокоточных навигацион-
ных определений...................................... 408
11.3.5. Разрешение неоднозначности псевдофазовых измерений 412
: 12. Комплексы функциональных дополнений ГНСС
высокоточных навигационных определений ...........414
Место высокоточных комплексов функциональных дополне-
ний ГНСС в системе навигационного обеспечения потребителей 415
_ _. Зарубежные высокоточные широкозонные системы функцио-
-л.тьных дополнений................................ 418
_ 2.1. Система OmniSTAR ............................ 418
12.2.2. Система StarFire ............................ 422
Отечественный высокоточный комплекс функционального до-
лнения ГНСС ....................................... 428
2.3.1. Общие подходы к построению КФД .............. 428
.2 3.2. Принципы построения глобальной ССИ........... 430
_ .3. Высокоскоростной канал доставки информации потреби-
телям ........................................... 440
Литература...................................................454
Оглавление
463
Научное издание
Карутин Сергей Николаевич
Власов Игорь Борисович
Дворкин Вячеслав Владимирович
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ КОРРЕКЦИЯ И МОНИТОРИНГ
ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Редактор Н. Е. Овчеренко
Корректор Н. И. Коновалова
Художник (обложка) К. А. Вечерин
Компьютерная графика А. В. Дегтярёв,
М. А. Голуб,
Н. В. Ломоносова
Вёрстка М. А. Голуб
Карты и компьютерная графика ООО «Издательство ДИК»
www.dik.ru info@dik.ru
Подписано в печать 07.03.2014. Формат 60x90/8. Усл. печ. л. 57,5.
Тираж 500 экз. Изд. № 10205. Заказ № 137.
ООО «Галерия»
105082, Москва, Спартаковская площадь, 10, стр. 12, оф. 205.
Тел./факс +7(495)665-48-37
info@galeria.ru www.galeria.ru
Издательство Московского университета
125009, Москва, ул. Б. Никитская, 5. Тел.: (495)629-50-91
www.msupublishing.ru secretary@msupublishing.ru
КАРУТИН
Сергей
Николаевич
Кандидат
технических
наук,
доцент,
ФГУП ЦНИИмаш
ВЛАСОВ
Игорь
Борисович
Доктор
технических
наук
профессор
МГТУ
им. Н. Э. Баумана
ДВОРКИН
Вячеслав
Владимирович
Доктор
технических
наук,
ОАО «Российские
космические
системы»
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
КОРРЕКЦИЯ
И МОНИТОРИНГ
ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ
СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМ
Издательство
Московского
университета
ТРУШ КОМПАНИЙ
ГЛЕНН