Система ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС состоит из орбитальной группировки навигационных космических аппаратов (НКА), подсистемы контроля и управления и навигационной аппаратуры потребителей (приемников ГЛОНАСС).

Орбитальная группировка системы содержит 24 штатных НКА на круговых орбитах с наклонением 64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются на 120°. Период обращения НКА равен Т = 11 ч 15 мин 44 с, что соответствует высоте круговой орбиты 19100 км над поверхностью Земли. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты на 45°, а аргументы широты восьми НКА в трех орбитальных плоскостях сдвинуты на ±15°. Интервал повторяемости трасс движения спутников и зон радиовидимости для наземных средств — 17 витков (7 суток, 23 часа, 27 минут, 27 секунд). За время эксплуатации НКА (до пяти лет) реальные положения НКА могут отличаться от номинальных не более чем на ±5°. Такая конфигурация НКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.

Спутник ГЛОНАСС конструктивно состоит из цилиндрического термоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств, приборов системы ориентации, панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели для калибровки радиосигналов измерительной системы путем измерения дальности до спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели выполнены в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли.

В состав бортовой аппаратуры НКА входят:

  • навигационный комплекс;
  • комплекс управления;
  • система ориентации и стабилизации;
  • система коррекции;
  • система терморегулирования;
  • система электроснабжения.

Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входят: синхронизатор, формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов.

Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени.

Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов, содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

Комплекс управления обеспечивает управление системами НКА и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система, блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля.

Командно-измерительная система обеспечивает измерение дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии.

Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, а также логическую обработку сигналов.

Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение НКА после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. В системе используются инфракрасный прибор построения местной вертикали (для ориентации на центр Земли) и прибор для ориентации на Солнце. Погрешность ориентации на центр Земли не хуже 3°, а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце — не более 5°. В качестве исполнительного органа при осуществлении успокоения и стабилизации спутника во время выдачи импульса коррекции используется двигательная установка. Режим успокоения, в результате которого происходит гашение угловых скоростей, включается в зоне радиовидимости.

В режиме начальной ориентации на Солнце осуществляется разворот спутника относительно продольной оси с помощью управляющих двигателей до появления Солнца в поле зрения прибора ориентации, который установлен на панели солнечных батарей.

Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления. Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 г и двух двигателей коррекции с тягой 500 г.

Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника. Регулирование тепла, отводимого из термоконтейнера, осуществляется жалюзи, которые увеличивают или уменьшают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа, циркулирующего в системе под действием вентилятора.

Система электроснабжения включает солнечные и аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей — 1600 Вт, площадь — 17,5 м2. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется от аккумуляторных батарей емкостью 70 ампер-часов. Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или три комплекта основных бортовых систем.

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту в количестве трех штук осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с космодрома Байконур. Схема выведения включает выведение космической головной части на промежуточную круговую орбиту с высотой -200 км с последующим переходом на эллиптическую орбиту с перигеем -200 км, апогеем -19100 км и наклонением 64,3°. Перевод каждого спутника в заданную точку орбитальной плоскости проводится с помощью спутниковой двигательной установки.

Точность приведения в рабочую точку орбиты составляет: по периоду обращения — 0,5 с; по аргументу широты — Г; по эксцентриситету 0,01; по наклонению орбиты — -0,3°.

Считается, что орбитальная группировка НКА с несинхронными круговыми орбитами (Т « 11 ч 16 мин) в системе ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с НКА с синхронными круговыми орбитами (Т = 12 ч 00 мин) в системе GPS, поскольку синхронная орбита НКА GPS дает двухвитковый след на поверхности Земли, и возмущения орбит отдельных НКА из-за нецентральности поля тяготения Земли будут заметно отличаться. Несинхронная же круговая орбита ГЛОНАСС имеет многовитковый след на поверхности Земли и возмущения орбит для всех НКА в этом случае будут практически одинаковыми.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи подсистемы входит контроль правильности функционирования НКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Навигационные радиосигналы, излучаемые штатными НКА, образуют радионавигационное поле в околоземном пространстве, форма которого в первую очередь определяется количеством спутников и диаграммой направленности их передающих антенн. Расчеты показывают, что при рабочей ширине диаграммы направленности в 38° диск Земли «освещается» с избытком до высоты 2000 км над ее поверхностью, т. е. до этих высот радионавигационное поле будет сплошным, а выше — дискретным (с разрывами).

Контроль целостности навигационного поля ГЛОНАСС заключается в контроле качества излучаемых спутниками системы навигационных радиосигналов и качества передаваемой ими навигационной информации. Для этого, во-первых, на спутниках ГЛОНАСС осуществляется непрерывный автономный контроль функционирования основных бортовых систем. В случае обнаружения нарушений их нормального функционирования на спутнике формируется признак его неисправности, который передается потребителю системы в составе оперативной информации навигационного сообщения с периодом 30 с. Максимальная задержка от момента обнаружения неисправности до момента передачи соответствующего признака не превышает 1 мин для спутника ГЛОНАСС. В усовершенствованном НКА ГЛОНАСС-М предусматривается уменьшение данной задержки до десяти секунд за счет введения соответствующего признака.

Во-вторых, качество навигационного поля ГЛОНАСС, т. е. исправность всех НКА системы, качество излучаемых ими навигационных радиосигналов и достоверность передаваемой ими информации контролируются аппаратурой контроля навигационного поля, входящей в наземный комплекс. Формируемый этой аппаратурой признак неисправности появляется в неоперативной информации навигационных сообщений (альманахах системы) всех спутников не позднее чем через 16 часов после появления неисправности, после чего передается в навигационных сообщениях с дискретностью 2,5 мин.

В соответствии с рассмотренными способами контроля навигационного поля в навигационных сообщениях каждого НКА системы передаются два типа признаков исправности (неисправности):

  • признак Bn (In), нулевое значение которого обозначает пригодность данного спутника для проведения навигационных определений потребителями системы;
  • совокупность обобщенных признаков Cn (n = 1…24) состояния всех спутников системы на момент закладки неоперативной информации (альманаха орбит и фаз); значение признака Сп = 0 указывает на непригодность спутника, имеющего системный номер п, для использования в сеансах навигационных определений, а значение признака Cn = 1 — на пригодность этого спутника.

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени. Навигационной аппаратурой потребителей системы ГЛОНАСС выполняются беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех (или трех) спутников ГЛОНАСС (так называемого рабочего созвездия), а также прием и обработка навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов и описывающих положение спутника в пространстве и времени. В результате обработки полученных данных и принятых навигационных сообщений определяются три <или две) координаты потребителя, три (или две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется привязка шкалы времени потребителя к шкале Всемирного времени UTC.

Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигационных определений, выбор рабочего созвездия навигационных космических аппаратов и обнаружение передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навигационного сообщения.

Интерфейс между подсистемой НКА и приемной навигационной аппаратурой состоит из радиолиний L-диапазона. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 -1600 МГц и L2 -1250 МГц). Поскольку в системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов, то каждый НКА передает их на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. Спутники, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные НКА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах двух типов: стандартной и высокой точности.

Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями. В отличие от GPS, в системе ГЛОНАСС не используется режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала стандартной точности; он обеспечивает возможность определения с вероятностью 99,7%:

  • горизонтальных координат с точностью 50…70 м;
  • вертикальных координат с точностью 70 м;
  • составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;
  • времени с точностью 0,7 мкс.

Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.

Спутники второй модификации (ГЛОНАСС-М) в поддиапазоне L1 передают сигналы, идентичные спутникам ГЛОНАСС, а в поддиапазоне L2 —- дополнительные сигналы с кодом стандартной точности.

Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым НКА, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей осуществляется на к радиан с максимальной погрешностью не более ±0,2 радиана. Фаза несущего колебания поддиапазона L1 в спутниках ГЛОНАСС и фазы несущих колебаний поддиапазонов L1 и L2 в спутниках ГЛОНАСС-М модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр.

Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является бортовой цезиевый стандарт частоты каждого НКА (формирователь бортовой шкалы времени), суточная нестабильность которого составляет 5 • 10~13 для спутников ГЛОНАСС и МО”13 для спутников ГЛОНАСС-М. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников ГЛОНАСС составляет 20 не (среднеквадратическое значение), а спутников ГЛОНАСС-М —- 8 не. Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты наземного центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет (1…5)-10~14. Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Всемирного времени UTC не превышает 1 мс при погрешности привязки ее к шкале UTC не более 1 мкс.

Шкалы времени каждого НКА ГЛОНАСС периодически сверяются со шкалой времени центрального синхронизатора. Необходимые поправки вычисляются управляющим комплексом ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются на борт каждого аппарата. Погрешность сверки шкалы времени НКА со шкалой времени центрального синхронизатора не превышает 10 не на момент проведения измерений.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы Всемирного времени UTC. Коррекция шкалы UTC на величину ±1 с проводится Международным бюро времени по рекомендации. Международной службы вращения Земли. Коррекция шкалы UTC производится, как правило, с периодичностью 1 раз в год или в полтора года в конце одного из кварталов: в 00 часов 00 минут 00 секунд в полночь с 31 декабря на 1 января —- 1-й квартал (или с 31 марта на 1 апреля —- 2-й квартал, с 30 июня на 1 июля —- 3-й квартал, с 30 сентября на 1 октября —- 4-й квартал) и осуществляется одновременно всеми пользователями, воспроизводящими или использующими шкалу UTC. Предупреждение о моменте и величине коррекции UTC заблаговременно (не менее чем за три месяца) сообщается пользователям в соответствующих бюллетенях, извещениях и другими способами. Если в навигационных сообщениях спутников ГЛОНАСС первой модификации не содержится данных о коррекции UTC, то в навигационном кадре спутников ГЛОНАСС-М предусмотрено заблаговременное уведомление потребителей о факте, величине и знаке секундной коррекции.

При коррекции UTC проводится одновременная коррекция системного времени ГЛОНАСС путем соответствующего изменения оцифровки последовательности секундных импульсов бортовых часов всех спутников ГЛОНАСС. При этом метка времени строки навигационного кадра ГЛОНАСС (передаваемая каждые 2 секунды) изменяет свое положение (на непрерывной шкале времени) для синхронизации с 2-секундной эпохой скорректированной шкалы UTC. Это изменение происходит в 00 часов 00 минут 00 секунд UTC.

Псевдослучайный дальномерный код представляет собой последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 кбит/с.

Цифровая информация навигационного сообщения передается со скоростью 50 бит/с и делится на оперативную и неоперативную. Оперативная информация относится к тому аппарату, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал; она содержит: признаки достоверности информации в кадре; время начала кадра; оцифровку меток времени НКА; сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения; эфемериды НКА и др.

Неоперативная информация (альманах) относится ко всем НКА и включает: данные о шкале времени системы; данные о шкале времени каждого спутника; данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спутников системы; время, к которому относится альманах; параметры орбиты и др.

Форматы передачи цифровой информации подобны NMEA-183 и подробно рассмотрены в специальной литературе. Проверка строк кадра, содержащих цифровую информацию, основывается на использовании кода Хемминга и заключается в исправлении одиночных ошибок (неверен один разряд строки) и обнаружении двойных (и большего четного числа) ошибок. Каждая строка цифровой информации представляет собой 85-разрядный код, причем старшие 77 разрядов содержат информационные символы (Ь85, Ь84…Ы0, Ь9); а младшие 8 разрядов — проверочные (р8, р7…р2, pi).

Для исправления однократных ошибок в 85-разрядных кодовых строках формируются контрольные суммы CI, С2…С7, а для обнаружения двукратных (и большего четного числа) ошибок формируется контрольная сумма Cs. Для этого используются следующие правила:

  • строка считается неискаженной, если все контрольные суммы С1…С7 и сумма Cs-равны нулю, либо лишь одна из контрольных сумм С1…С7 равна единице и при этом Cs = 1;
  • если две или более контрольных сумм С1…С7 равны единице и Cs = 1, то символ Ci исправляется на противоположный в разряде с порядковым номером i = С7 С6 С5 С4 СЗ С2 С1 + 8 – К, при условии, что i < 85, где С7 С6 С5 С4 СЗ С2 С1 — двоичное число, сформированное из контрольных сумм С1…С7 (все двоичные числа записаны младшими разрядами справа); К — номер старшей из отличных от нуля контрольных сумм. Если по формуле для Ci получается i > 85, то фиксируется факт наличия нечетного числа кратных ошибок и фраза не исправляется, а бракуется (стирается);
  • если хотя бы одна из контрольных сумм С1…С7 равна единице, a Cs = О, либо все суммы С1…С7 равны нулю, но Cs = 1, то фиксируется факт наличия кратных ошибок и фраза бракуется.

Поскольку для взаимно антиподных аппаратов в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных аппаратов минимально необходимое их число в каждом диапазоне частот равно 12, что достаточно очевидно, поскольку в зоне радиовидимости наземного потребителя не могут одновременно находиться взаимно антиподные аппараты.

Что касается космического потребителя, то он может одновременно «видеть» взаимно антиподные спутники, однако из двух таких спутников хотя бы один будет находиться ниже местного горизонта, что способствует возможности использования эффективной пространственной селекции навигационных радиосигналов от взаимно антиподных спутников. Кроме того, если в наземных объектах доплеровский сдвиг частоты может достигать максимального значения ±5 кГц, то в низкоорбитальных космических объектах он составляет ±40 кГц и, следовательно, в приемнике космического объекта легко может быть реализована эффективная доплеровская селекция навигационных радиосигналов от радиовидимых спутников.

Модулирующая последовательность, используемая при формировании сигналов стандартной точности для модуляции несущих частот поддиапазона L1 для спутников ГЛОНАСС и L1 и L2 для спутников ГЛОНАСС-М, образуется сложением по модулю два трех двоичных сигналов:

  • псевдослучайного дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 кбит/с и периодом повторения 1 мс;
  • навигационного сообщения, передаваемого со скоростью 50 бит/с;
  • вспомогательного меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.

Псевдослучайный дальномерный код снимается с 7-го разряда 9-разрядного регистра сдвига. Код начального состояния регистра сдвига соответствует наличию логической 1 во всех разрядах регистра. Начальным символом в периоде ПС дальномерного кода является 1-й символ в группе 111111100, повторяющейся через 1 мс. Образующий полином, соответствующий обратным связям в регистре сдвига, определяется формулой: G(x) = 1 + х5 + х9.

Навигационные сообщения формируются в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения, а во второй ее части в течение 0,3 с — двоичный код метки времени. Двоичная последовательность информации навигационного сообщения образуется в результате сложения по модулю два последовательности символов цифровой информации навигационного сообщения в относительном коде с длительностью символов 20 мс и меандра с длительностью символов 10 мс.

Двоичный код метки времени представляет укороченную двоичную псевдослучайную последовательность длиной 30 символов длительностью 10 мс каждый, которая описывается образующим полиномом G(x) = 1 + х3 + х5 и имеет вид: 111110001101110101000010010110.

Первый символ цифровой информации в каждой строке всегда равен логическому 0. Он является «холостым» и дополняет укороченную псевдослучайную последовательность предыдущей строки до полной (не укороченной).

В излучаемом навигационном радиосигнале границы двухсекундных строк, символов цифровой (навигационной) информации, символов меандра, границы символов укороченной последовательности и границы символов дальномерного кода синхронизированы между собой; границы символов меандра и границы символов цифровой информации совпадают с передними фронтами начальных символов дальномерного кода. Задний фронт последнего символа укороченной последовательности в навигационном радиосигнале является меткой времени и соответствует моменту, отстоящему от начала суток на целое и четное количество секунд в шкале времени спутника.




Дополнительные материалы:

  • Достоинства и недостатки HTC Flyer HTC пытается выйти на рынок плашетных ПК выпустив свою версию планшетника - HTC Flyer. Но, к сожалению, это 7-дюймовое устройство работает не на последней, планшетно-ориентированной […]
  • Китайский телефон HD2 Dual SIM HD2 это бывшая флагманская модель обновленной линейки HTC Touch. Китайцы создали успешную копию этого телефона, которую мы сегодня рассмотрим. Смартфон создан с использованием платформы […]
  • Графический интерфейс навигаторов GPS-приемники обеспечивают пользователя полной навигационной информацией, представляя ее в наглядной графической и текстовой форме. В результате навигация с их помощью становится […]
  • Как разделить экран монитора в ОС Windows Сегодня мы дадим инструкции для тех, кто хочет разделить экран компьютерного монитор на два, чтобы можно было посмотреть два приложения рядом. Также мы расскажем о том, как вы можете […]
Share This

Поделитесь!

Если статья показалась Вам полезной.