Перейти к основному содержанию

Сетевые спутниковые радионавигационные системы

Название: 
Сетевые спутниковые радионавигационные системы
Автор: 
В. С. Шебшаевич
Издательство: 
Радио и связь
Страниц: 
408
Год издания: 
1993
Язык: 
русский
Формат: 
pdf
Размер: 
16.18 МБ

 

 

Краткое содержание

Раздел 1. Структура и функционирование сетевых СРНС

Глава 1. Принципы построения и особенности сетевых спутниковых РНС

Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую РНС, в которой роль опорных радионави­гационных точек (РНТ) выполняют ИСЗ, несущие навигаци­онную аппаратуру. Навигационные ИСЗ (НИСЗ) являются ана­логом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС. Перенос РНТ из наземных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привел к существенным изменениям в построении этих РНС. Если наземные РНС содержат в качестве основных своих звеньев только аппарату­ру РНТ и потребителей (П), тр СРНС включают в себя ряд дополнительных звеньев. Упрощенная структурная схема СРНС включает космодром, систему НИСЗ, аппара­туру П, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления (ЦУ).

Техни­ческая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет- носителей и НИСЗ, их испыта­ния, заправку НИСЗ и их со­стыковку. В число задач стар­тового комплекса входят:  до ставка носителя с НИСЗ на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск. Приданные космодрому командно-измеритель­ные средства по телеметрическому и траекторному каналам кон­тролируют работу бортовых систем и траекторию полета на участке вывода на орбиту.

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значитель­ный объем служебной информации. На НИСЗ, как на КА, размещается разнообразная аппаратура: средства пространствен­ной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, теле­метрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.

Аппаратура потребителей предназначается для приема сигна­лов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и об­работки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре П предусматривается специализированная ЭВМ.

Командно-измерительный комплекс (именуемый также под­системой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навига­ционных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими как  космическими аппаратами. Для этого с помощью наземных средств КИК выполняется телеметричес­кий контроль за состоянием спутниковых систем и управление их работой, осуществляется определение параметров движения НИСЗ и управление их движением, проводится сверка и согла­сование бортовой и наземной шкал времени, а также ведется снабжение П так называемой эфемеридной информацией, т. е. сведениями о текущих координатах сети НИСЗ, информа­цией о состоянии их бортовых шкал времени, а также рядом поправок.

Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляю­щими радиолиниями с космодромом и КИК.

Глава 2. Геометрические свойства методов измерений в ССРНС

Задание какого-либо НП позволяет из всех точек т-мерного пространства выделить подпространство (т—1)-го измерения, локализовав в его пределах определяющийся объект. Поэтому совокупность точек мерного подпространства, соответствующих некоторому значению НП, называют пространством положения.

Для трехмерного пространства возможна наглядно­геометрическая интерпретация: пространство положения будет иметь вид двухмерной поверхности, вследствие чего его можно называть поверхностью положения. Поверхностная навигация - это пространство превращается в одномерное, именуемое линией положения.

Для ССРНС, использующих дальномерный и радиально­скоростной методы измерений, основными РНП являются вре­мя распространения радиоволн / и доплеровское смещение час­тоты, а основными НП — дальность  и радиальная ско­рость.

Дальности соответствует поверхность положения в виде сферы как геометрического места точек (ГМТ), равноудален­ных от данной точки. При построении такой поверхности положения центр сферы совмещается с точкой, от которой измерялось расстояние. Относительно каждого НИСЗ можно построить семейство поверхностей положения в виде совокуп­ности концентрических сфер, соответствующих различным воз­можным расстояниям до П.

Радиальной скорости в пространстве скоростей соответст­вовала бы сферическая поверхность положения. В таком пространстве свойства радиально-скоростного метода были бы подобны свойствам дальномерного метода, рассматриваемого в линейном трехмерном пространстве. Однако навигационные ре­шения реализуются в обычном координатном пространстве, поэтому необходимо скоростные поверхности положения фикси­ровать именно в данном пространстве.

Анализ фундаментальной и градиентной матриц позволяет выя­вить общие и видовые особенности методов навигации и путем оценки точностных характеристик сравнить информативность раз­личных методов.

Фундаментальная матрица для всех навигационных методов будет одинаковой, поэтому можно считать, что она выражает общие свойства методов.

В противоположность этому градиентная матрица будет своей для каждого из методов, вследствие чего можно счи­тать, что она отражает видовые свойства методов. Эта матрица показывает, как будут изменяться навигационные параметры с изменением геоцентрических прямоугольных координат точки наблюдения.

Один из способов оценки точностных свойств навигацион­ных методов состоит в использовании числовых характеристик, вычисляемых через матрицу частных производных вида Специально этот вопрос рассматривается в гл. 16.

Глава 3. Основы решения навигационных задач в СРНС

Основным содержанием навигационных задач является опреде­ление координат и скоростей П, являющихся ядром его вектора состояния. Однако непосредственно измерить их по сигналам НИСЗ невозможно. В результате навигационных измерений нахо­дятся навигационные параметры, которые лишь функционально связаны с искомыми координатами и скоростями. Поэтому измерительная информация должна подвергаться существенным неизоморфным преобразованиям. Собственно процесс навигацион­ных определений (именуемый также вторичной обработкой) выполняется с применением некоторых стандартных процедур, оформляемых в виде различных вариантов навигационных алго­ритмов.

Задачи определения координат и скоростей могут формулиро­ваться в двух постановках: как задачи первоначального определения параметров и как задачи уточнения их значений путем отыскания поправок к ним.

Возможно решать задачи при использовании результатов минимально необходимого объема измерений, когда число на­вигационных уравнений равно числу определяемых параметров. В этом случае употребляют как конечные, так и итерационные алгоритмы. Конечные алгоритмы дают точное решение системы  уравнений с  неизвестными, но они оказываются громозд­кими, поскольку входящие в систему уравнения типа (2.2) и (2.3) явно нелинейные. Однако такие алгоритмы не требуют априорной информации и в силу этого хорошо подходят для первоначального определения искомых параметров в условиях исходной полной неопределенности. Геометрическим эквивалентом! конечного алгоритма решения навигационной задачи является построение относительно используемых НИСЗ совокупности по­верхностей положения, точка пересечения которых и дает искомое положение объекта.

Итерационные алгоритмы (метод последовательного прибли­жения) гораздо проще, но они требуют формирования априор­ных значений определяемых параметров для каждого цикла итераций.

Наряду с навигационными решениями по минимально необходимому объему измерений широко применяют итерацион­ные методы решений, основанные на привлечении избыточного количества измерений. Все они используют те или иные приемы статистической обработки. При статистической обработке сгла­живаются случайные (слабокоррелированные) составляющие по­грешностей измерений и, стало быть, избыток информации направляется на повышение точности навигационных опреде­лений. Статистическая обработка требует достаточного запаса результатов измерений и связана с выполнением значительного объема арифметических операций.

Поэтому статистические методы приобрели широкое распро­странение первоначально именно в низкоорбитных СРНС, где за счет быстрого относительного движении НИСЗ н потре­бителя удается в одном сеансе собрать большую выборку изменяющихся измерений. Их развитию, естественно, способство­вало прогрессивное развитие техники малогабаритных ЭВМ.

Глава 4. Сигналы в спутниковых РНС

Одной из главных задач при проектировании СРНС явля­ется выбор радионавигационного сигнала, поскольку его тип в значительной степени определяет построение навигационной ра­диолинии, характеристики передающего устройства НИСЗ и изме­рительной части приемоиндикатора.

Сигналы спутниковых пассивных РНС должны обеспечивать заданные точность измерения радионавигационных параметров (РНП) и вероятность декодирования служебной информации; минимальную мощность излучения передатчика НИСЗ при огра­ниченной ширине полосы излучения (ШПИ); разделимость сигна­лов от различных НИСЗ в многоспутниковых системах; устойчивость к помехам многолучевости, к помехам по радиодиа­пазону и к организованным помехам; ограниченность аппара­турных затрат на П и (для некоторых систем) возможность повышения точностных характеристик с развитием системы, в том числе элементной базы.

Глава 5. Энергетика навигационных радиолиний

Навигационная радиолиния (НРЛ) предназначена для пере­дачи навигационных сигналов от передающей станции к пункту приема. В зависимости от того, пассивна пли активна она (см. § 1.3), рассматривается радиолиния пассивной системы или радиолиния с ретрансляцией радионавигационных сигналов.

В гл. 4 показано, что для обеспечения современных требо­ваний к СРНС сигнал должен иметь сложную структуру, позво­ляющую удовлетворить ряду противоречивых требований. Поэто­му к навигационным радиолиниям СРНС предъявляются повы­шенные требования, основными из которых являются обеспечение в месте приема высокого энергетического потенциала и минимум искажения фазовых соотношений навигационного радиосигнала.

Методы реализации первого из указанных требований в СРНС и в линиях космической радиосвязи существенно различаются. Если в линиях радиосвязи для повышения энергетического потенциала применяются остронаправленные антенны, то в СРНС такие антенны неприемлемы, так как при фиксированном числе НИСЗ это привело бы к значительному уменьшению рабочей зоны системы. Особенностью является также и то, что радиона­вигационное поле СРНС должно охватывать все - околоземное пространство для обслуживания и высотных потребителей (П), в связи с чем углы раскрыва антенн НИСЗ и П должны быть еще больше и, следовательно, энергетический потенциал радиоли­нии будет еще ниже.

Второе из требований, предъявляемых к НРЛ СРНС,— сохранение фазовых соотношений в радионавигационном сигна­ле — специфично для РНС, поскольку навигационная информация как дальномерная, так и эфемеридная содержится в фазе при­нимаемого сигнала. Поэтому для выполнения требований к НРЛ при их проектировании должны учитываться более тонкие физические эффекты.

В связи с этим при рассмотрении энергетики навигационных радиолиний основное внимание уделим таким вопросам, как исключение рефракционных ошибок, распределение мощности между каналами измерения дальности и скорости на различных частотах при двухчастотном способе измерения, энергетические расчеты для высотных П и выбор углов раскрыва антенн П и НИСЗ.

Глава 6. Способы разделения сигналов

Глава 7. Принципы построения измерительно-вычислительной аппаратуры потребителей

Глава 8. Устройства первичной обработки радионавигационного сигнала

Глава 9. Разновидности аппаратуры потребителей

Глава 10. Кадр навигационного сигнала

Глава 11. Синхронизация временных шкал системы НИСЗ

Глава 12. Области использования сетевых спутниковых РНС

Раздел 2. Основы навигационного использования ССРНС

Глава 13. Алгоритмизация решения навигационных задач

Глава 14. Алгоритмы решения навигационных задач по выборке одновременных измерений

Глава 15. Алгоритмы решения навигационных задач по выборке измерений нарастающего объема

Глава 16. Способы оценки точности определения параметров движения

Глава 17. Высокоточное сличение шкал времени удаленных пунктов по сигналам НИСЗ

Глава 18. Точность определения координат при одномоментных измерениях по элементарному созвездию НИСЗ

Глава 19. Точность определения пространственных координат и вектора скорости по сети НИСЗ

Глава 20. Дифференциальный режим ССРНС

Глава 21. Точность определения параметров движения в активном и относительном режимах

Глава 22. Математическое обеспечение бортовой аппаратуры потребителей

Раздел 3. Комплексное проектирование ССРНС

Глава 23. Задачи и особенности комплексного проектирования ССРНС

Глава 24. Синтез структуры сети НИСЗ из условий обеспечения заданной краткости покрытия

Глава 25. Синтез структуры сети НИСЗ по критерию точности навигационных определений

Глава 26. Основы комплексного использования СРНС с другими радионавигационными и автономными навигационными средствами

Глава 27. Критерии оценки эффективности навигационного использования СРНС

Список литературы

Техническая библиотека

Вверх