Методы радиоуглометрии. Амплитудный, временной и фазовый методы радиоуглометрии

     Двигательная  установка состоит из 24 двигателей  ориентации с тягой 10 гр и  двух двигателей коррекции с  тягой 500гр.

     Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника.

     Регулирование  тепла, отводимого от гермоконтейнера,  осуществляется жалюзи, которые открывают или закрывают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа. Отвод тепла от приборов осуществляется циркулирующим газом с помощью вентилятора.

     Система электроснабжения включает в себя солнечные батареи, 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  за счет аккумуляторных батарей.  Их разрядная емкость составляет 70 ампер/часов.

 

     Для  обеспечения надежности на спутнике  устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.

     Таким  образом, на спутник ГЛОНАСС  возложено выполнение следующих  функций:

     - излучение высокостабильных радионавигационных  сигналов;

     - прием, хранение и передача  цифровой навигационной информации;

     - формирование, оцифровка и передача  сигналов точного времени;

     - ретрансляция или улучшение сигналов  для проведения траекторных измерений  доя контроля орбиты и определения  поправок к бортовой шкале  времени;

     - прием и обработка разовых команд;

     - прием, заполнение и выполнение  временных программ управления  режимами функционирования спутника  на орбите;

     - формирование телеметрической информации  о состоянии бортовой аппаратуры  и передача ее для обработки  и анализа наземному комплексу управления;

     - прием и выполнение кодов команд  коррекции и фазирования бортовой  шкалы времени;

     - форматирование и передача «признака  неисправности» при выходе важных  контролируемых параметров за  пределы нормы.

     Управление  спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.

     Сам  спутник представляет собой герметический  контейнер диаметром 1,35 м и  длиной 7,84 м. Общая масса составляет 1415 кг.

     Выведение  спутников ГЛОНАСС на орбиту  осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

     Схема  выведения включает

     - выведение космической головной  части на промежуточную круговую  орбиту с высотой ~200 км;

     - переход на эллиптическую орбиту с перигеем ~200 км апогеем ~19100 км и наклонением 64,8⁰;

     Точность  приведения в рабочую точку  орбиты

     - по периоду обращения – 0.5 с

     - по аргументу широты – 1 град

     - по эксцентриситету - ~ 0,01

     - по наклонению орбиты - ~ 0,3 град.

     Для  синхронизации шкал времени различных  спутников с необходимой точностью  на борту КА используются цезиевые  стандарты частоты (атомные часы  – 4 комплекта) с относительной  нестабильностью порядка 10^-13.

     Спутники  ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов:

     - навигационный сигнал стандартной  точности (СТ) в диапазоне L₁ (1,6 ГГц);      

     - навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазоне L₁ и L₂ (1,2 ГГц).

     Информация, предоставляемая навигационным  сигналом СТ доступна всем  потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения

     - горизонтальных координат с точностью  50 -70 м (вероятность 99,7%);

     - вертикальных координат с точностью  70 м (вероятность 99,7%);

     - составляющих вектора скорости с точностью 15 м/с (вероятность 99,7%);

     - точного времени с точностью  0,7 мкс (вероятность 99,7%).

     Сигнал  ВТ предназначен для потребителей  Министерства Обороны Российской  Федерации.

     Каждый  спутник ГЛОНАСС работает на своей выбранной частоте 1598,0625 – 1604,25 ГГц.

Рис.14.5.

 

 

Космический сегмент GPS

     Он  состоит из 26 спутников, (21 рабочий  и 5 резервных, находящихся в  горячем режиме) расположенных на  круговых средних орбитах. Плоскости  орбит наклонены на угол 55⁰ к плоскости экватора, они равномерно расположены на 6 орбитах и сдвинуты между собой на 60⁰по долготе. Радиусы орбит составляют около 26 тыс. км, а период обращения составляет 11ч.45,8 мин.

 Рис.12.4.

     Спутники GPS имеют тот же самый комплект оборудования и исполняют те же самые функции, что и спутники ГЛОНАСС. За исключением того, что передающая аппаратура всех спутников излучает навигационные сигналы только на двух частотах L₁ = 1575,42 МГц и L₂ =  1227,6 МГц, но каждый спутник имеет свой отличительный код.

     Передающая  аппаратура спутника излучает  синусоидальные сигналы на двух  несущих частотах.

     Перед  этим сигналы модулируются так  называемыми псевдослучайными цифровыми  последовательностями (процедура называется фазовой модуляцией). Причем частота L₁ модулируется двумя видами кодов С/А – кодом (код свободного доступа и Р – кодом (код санкционированного доступа), а частота L₂ только Р – кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

      Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей

     - обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника потребителя;

     - создание наилучших условий различения  сигнала в аппаратуре приемника  на фоне шумов (доказано, что  псевдослучайные коды обладают  такими свойствами);

     - реализация режима ограниченного  доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

 

 

                                                              Рис.14.6.

 

     Код свободного доступа С/А (Coarse Acqvisition) имеет частоту следования импульсов 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек, поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

 

     Защищенный код Р (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках.

     Поскольку  Р - код передается на двух  частотах (L₁ и L₂), а C/R-код на одной (L₁), в GPS – приемниках, работающих по Р - коду частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по Р - коду на порядок выше, чем по С/А-коду.

     На  борту каждого КА системы GPS так же как и на КА ГЛОНАСС имеется 4 стандарта частоты (4 комплекта «атомных» часов) – два цезиевых и два рубидиевых для целей резервирования.

     Точность  хода таких «атомных» часов  составляет около одной наносекунды  10^-12.

     «Атомные»  часы в системах ГЛОНАСС и GPS не используют атомную энергию. Они получили это название потому, что используют для измерения времени обращение электронов по орбите атома известного чистого вещества, как метроном.

     Корректируются  эти часы наземными станциями  слежения.

 

 

Сегмент управления

Наземный комплекс управления системы ГЛОНАСС

 

     Управление  орбитальной группировкой ГЛОНАСС  осуществляет наземный комплекс  управления (НКУ). Он включает в  себя Центр управления системой (ЦУС) (г. Голицино-2, Московская область)  и сеть станций слежения и  управления, рассредоточенных по всей территории России.

 

                                                           Рис.14.7.

    

      Наземный  комплекс управления осуществляет  сбор, накопление и обработку  траекторной и телеметрической  информации о всех спутниках системы и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации. Траекторная информация калибрируется с помощью лазерных дальномеров (кванто-оптических станций) из состава НКУ. Для этого спутники ГЛОНАСС оснащены лазерными отражателями.

     Для правильного  функционирования системы очень  важна синхронизация всех процессов.  Поэтому в составе НКУ предусмотрен  Центральный синхронизатор (ЦС), который представляет собой высокочастотный  водородный стандарт времени/частоты.  ЦС синхронизирован с национальным эталоном времени/частоты UTC.

     Кроме этого,  сегмент наземного комплекса  управления системы ГЛОНАСС выполняет  следующие функции:

     - эфемеридное  и частотно-временное обеспечение;

     - мониторинг  радионавигационного поля;

     - радиотелеметрический мониторинг НКА;

     - командное  и программное радиоуправление  КА.

     Наземный сегмент  обеспечивает эфемеридное обеспечение  спутников. Это означает, что на  земле определяются параметры  движения спутников и прогнозируются  значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производится в баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

          Наземный комплекс управления системы GPS                                             состоит из главной станции управления (авиабазы Фалькок в штате Колорадо), пяти станций слежения, расположенных на территории американских военных баз, расположенных на Гавайских островах, острове Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс, а также трех станций закладок: острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн.  

 

                                                          Рис14.8

                                                           

     Кроме  того, имеется сеть государственных  и частных станций слежения  за ИСЗ, которые выполняют наблюдения  параметров атмосферы и траекторий  движения спутников. Рис.14.8

 

 

 

 

 

Сегмент пользователей

     Сегмент  пользователей составляют приемники GPS и ГЛОНАСС и сообщество пользователей системы. Приемники преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.

     Основная  задача GPS – навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.

     В  аппаратуре потребителя (GPS - приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности С/А либо С/А и Р, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:

   

• по С/А-коду (одночастотный кодовый приемник),
• по Р-коду (двухчастотный кодовый приемник),
• по С/А-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник),
• по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).

     Используемый  в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.

     Более  точное позиционирование возможно  при использовании базового приемника,  осуществляющего коррекцию данных  позиционирования удаленных приемников. Другим вариантом использования системы является обеспечение точного отсчета времени. В научно-исследовательских работах сигналы GPS используются для измерения атмосферных параметров.

 

Спецификация GPS Positioning Services в Федеральном

плане радионавигации США

 

Система точного позиционирования. Precise Positioning System (PPS)