Принципы построения спутниковых радионавигационных систем презентация

Пусть в точке А (см. рисунок) с известными координатами хA = {хА, уА} расположен один маяк, а в точке Б с известными координатами хБ = {хБ, уБ} расположен второй маяк. Положим, что потребитель находится в точке Д с координатами х = {х, у}, которые необходимо определить. Проведем окружность с центром в точке А, проходящую через точку Д и имеющую радиус
и аналогичную окружность с центром в точке Б, также проходя-щую через точку Д и имеющую радиус

Если потребитель знает значения R1, и R2, он может определить собственный координаты из решения системы уравнений
Отметим, что данные уравнения нелинейные, поэтому возможно не одно, а несколько решений такой системы уравнений. Наглядно это видно на рисунке, где окружности пересекаются не только в точке Д, но и в точке С, координаты которой также являются решением системы уравнений (1).
(1)

Значения R1, и R2 можно определить, например, излучая из точек А и Б радиосигналы и измеряя в точке Д задержки этих сигналов τ1 =R1/c и τ2 = R2/c, где с — скорость света.
Для определения координат потребителя в трехмерном пространстве необходимо иметь третий маяк, располо-женный в точке В с известными координатами хВ , и измерить еще одну дальность
Координаты потребителя х = {х, у, z} в этом случае определяются из решения трех уравнений, аналогичных (1)

В СРНС в качестве маяков выступают навигационные спутники (НС), с которых излучаются радиосигналы. Особенностью таких маяков является то, что они движутся. Тем не менее, если координаты маяков известны в любой момент времени, то радиомаячный способ также может быть использован для опреде-ления координат потреби-теля. Однако при этом возникает еще одна особен-
ность, связанная с тем, что в момент излучения сигна-ла tи НС находится в одной точке пространства, а в момент приема сигнала tп и измерения его задержки у потребителя tп НС находит-ся в другой точке прост-ранства. Поэтому соотно-шения (1) изменяются и должны быть записаны, например, для определе-ния дальности R1, в виде
(2)

Положим, что потребитель измеряет все необходимые дальности в один момент времени tп ,
причем такие, что в точку Д расположения потребителя эти сигналы приходят одно-временно.
Из формул (2), (3) следует, что для опреде-ления собственных коорди-нат потребитель должен не только измерить дальности R1, R2 и R3, но и знать моменты излучения tИА, tИБ, tИB с НС принятых сигналов, а также координаты НС в данные моменты времени.
Так как разные НС находятся на разных расстояниях от потребителя, соотношения для
,
аналогичные (2), должны быть записаны в виде
(3)
где tИБ, tИB - время излуче-ния сигналов из точек Б к В соответственно,

В приведенных рассужде-ниях неявно полагалось, что есть абсолютное время t, которое «доступно» как потребителю, так и на всех НС. Однако такого абсолют-ного времени нет в приро-де. Для задания времени, так же как и для задания пространственных коорди-нат, необходимо вводить ту или иную систему отсчета. Если для задания прост-ранственных координат потребителя и НС может использоваться единая
система отсчета (простран-ственная система коорди-нат), то для определения времени у потребителя и на каждом НС вводится своя система отсчета времени, что порождает новую проблему — согласование (синхронизация) данных систем отсчета времени.
,

Для построения СРНС необходимо:
- задать систему (системы) пространственных координат;
- задать системы отсчета времени;
- задать радиосигнал, обеспечивающий возможность определения задержки между моментом излучения и моментом его приема;
- измерить у потребителя задержки сигналов, излученных с разных НС, а также доплеровские смещения частот принятых сигналов (для определения скорости потребителя);
- обеспечить у потребителя знание координат НС
на моменты излучения сигналов tИА, tИБ, tИB (определенные в единой системе отсчета времени);
- обеспечить синхронизацию всех используемых систем отсчета времени.

Наряду с перечисленными выше задачами, которые необходимо решать при построении СРНС, к ней предъявляются дополнительные требования:
- глобальность навигационного обеспечения потребителей, т.е. потребитель, находящийся в любой точке околоземного пространства, должен иметь возможность определения своих координат;
непрерывность навигационного обеспечения, т.е. возмож-ность определять координаты потребителя в любое время;
неограниченность числа потребителей системы;
- высокая точность навигационно-временных определений (НВО), под которыми понимают вычисление трех пространственных координат потребителя, трех составляющих его вектора скорости и текущего времени.

Удовлетворение первого требования обеспечивается выбором параметров орбит навигационных спутников и их расположением на орбитах.
Для решения проблемы неограниченности числа потре-бителей системы выбрана кон-цепция независимой навига-ции, предусматривающая вы-полнение НВО непосредствен-но в аппаратуре потребителя, а в рамках этой концепции использован метод пассивных (беззапросных) дальномерных и доплеровских измерений по сигналам нескольких НС.
Концепция независимой навигации и пассивные изме-рения, дополненные непре-рывным излучением сигна-лов с НС, решают задачу непрерывности навигацион-но-временного обеспечения потребителей.
Высокая точность НВО достигается за счет: 1) ис-пользования сложных радио-сигналов, излучаемых с НС; 2) правильного выбора рабо-чего созвездия НС, т.е. тех НС, сигналы которых принимают-ся в обработку при НВО;
,

3) излучения сигналов с НС с достаточной мощностью;
4) использования высокоточной информации о параметрах движения НС;
6) оптимизации алгоритмов обработки сигналов в аппаратуре потребителей и рядом других факторов.
,

1.2 Обобщенная структура спутниковой радионавигационной системы

Реализация перечисленных задач и требований возможна в сетевой структуре СРНС, включающей три основные подсистемы (см. рисунок):
- подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников (космический сегмент);
- подсистема контроля и управления (ПКУ) (наземный командно-измерительный комплекс или сегмент управления);
- подсистема навигационной аппаратуры потребителей (НАП) СРНС (сегмент потребителей).
В последнее время в структуру СРНС часто включают еще одну подсистему, которую называют функциональным дополнением СРНС (см. рисунок). Данная подсистема позволяет расширить функциональные возможности СРНС и улучшить ее потребительские характеристики.

Подсистема космических аппаратов
Подсистема космических аппаратов СРНС состоит из определенного числа навигационных спутников (штатно 24 НС), движущихся каждый по заданной орбите.
Основная функция НС — формирование и излучение радио-сигналов, необходимых для навигационных определений потребителями СРНС.
В состав аппаратуры НС включают:
радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от ПКУ, антенны, блоки ориентации),
ЭВМ,
бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ),
солнечные батареи и т. д.

Подсистема контроля и управления
Наземная подсистема контроля и управления выполняет следующие основные задачи:
- высокоточное измерение и прогноз параметров орбитального движения НС;
- частотно-временное обеспечение НС, включая задачи синхронизации систем отсчета времени;
- мониторинг радионавигационного поля (радионавигационных сигналов всех НС);
- радиотелеметрический мониторинг НС (контроль состояния бортовой аппаратуры);
- командное и программное радиоуправление функционированием НС.

Процедуру определения и прогноза параметров движе-ния всех НС с помощью наземных средств и передачу этой информации («закладка») на НС с целью ее последующей передачи потребителям приня-то называть эфемеридным обеспечением.
Частотно-временное обес-печение означает определение и прогноз отклонений борто-вых шкал времени НС от сис-темной шкалы времени и «зак-ладка» на борт НС частотно-временных поправок (ЧВП) с целью последующей их передачи потребителям.
Излучаемые с НС непре-рывные радиосигналы обра-зуют в околоземном прост-ранстве радионавигационное поле. Мониторинг радиона-вигационного поля в ПКУ осу-ществляется с целью обес-печения потребителей нави-гационными радиосигнала-ми гарантированного качест-ва, реализующими требуе-мую точность НВО. При выяв-лении сигналов НС, не удов-летворяющих заданным тре-бованиям, принимаются ме-ры по выявлению и устране-нию возникших дефектов или исключению этих сигналов.
,

Навигационная аппаратура потребителей
Навигационная аппаратура потребителей предназначена для приема и обработки радиосигналов НС с целью определения необходимой потребителям информации (пространственно-временные координаты, направление и скорость, пространственная ориентация и т. п.).
В состав НАП входят:
антенна с равномерной диаграммой направленности в верхнюю полусферу;
высокочастотный приемник, осуществляющий фильтрацию навигационных сигналов,
вычислитель, решающий задачу НВО.