

_{0 } h  H “освещены” радиолучами от необходимого для оперативной навигации созвездия (не менее четырех НКА, включая НКА ниже местного горизонта) не везде, а только при нахождении в определенных областях пространства.

Космические объекты на высотах h  H (например, на геостационарной орбите) будут “освещены” на некоторых участках своей орбиты радиолучом от одного или двух НКА (при полной ОГ), и НАП может не оперативно определить орбиту космического объекта на основе обработки результатов приема навигационных радиосигналов на “освещенных” участках орбиты.

Ограничимся рассмотрением непрерывного радионавигационного поля (h  h₀). Основной характеристикой радионавигационного поля для наземного потребителя являются мощности навигационного радиосигнала от околозенитного и пригоризонтного НКА на выходе “стандартной” приемной антенны (без учета отражений от поверхности Земли):

P₀ = P_п G( ) G₀( )  ²/(4 R)²,

где P_{п } мощность излучения передатчика; G( )  коэффициент направленности передающей антенны (с учетом потерь в АФУ) в направлении  на приемную антенну; G₀( )  коэффициент направленности “стандартной” приемной антенны в направлении  на передающую антенну;   длина волны несущего колебания радиосигнала; R  дальность от приемной антенны до передающей антенны.

В системе ГЛОНАСС передающие антенны для навигационных радиосигналов на НКА имеют круговую правую поляризацию излучения.

Коэффициент направленности G( ) передающих антенн в рабочем секторе направлений   19 относительно оси антенны составляет

 , угл.град.	0	15	19
G( ),дБ (1600 МГц)	10	12	8
G( ),дБ (1250 МГц)	9	11	9

 

В качестве “стандартной” приемной антенны удобно рассматривать изотропную приемную антенну с круговой поляризацией, G₀( ) = 1.

Дальность R от приемной антенны, размещенной на поверхности Земли, до околозенитного ( = 90 ) НКА составит R = H = 19100 км, до пригоризонтного ( =5 ) НКА составит R = 24000 км.

Бюджет мощности P₀ узкополосных навигационных радиосигналов на выходе “стандартной” приемной антенны:

	1600 МГц		1250 МГц
 , угл. град.	90	5	90	5
Pп, дБ Вт	    		   
G( ), дБ	+10	+12	+9	+11
(    R)2, дБ	 182	 184	 180	 182
G0( ), дБ	0		0
P0, дБ	 157 1	 157 1	 162 1	 162 1

Отметим, что мощность навигационного радиосигнала, принимаемого наземным потребителем с помощью изотропной антенны, одинакова для околозенитного и пригоризонтного НКА.

 

Структура сигнала ГЛОНАСС

грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);

последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 6а);

меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 6б).

Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура не раскрывается.

Для навигационных радиосигналов ЦИ формируется на борту НКА на основе данных, передаваемых от НКУ системы на борт НКА с помощью радиотехнических средств. Передаваемая в навигационных радиосигналах ЦИ структурирована в виде строк, кадров и суперкадров.

В узкополосном навигационном радиосигнале 1600 МГц строка ЦИ имеет длительность 2 с (вместе с МВ) и содержит 85 двоичных символов длительностью по 20 мс, передаваемых в относительном коде. Первый символ каждой строки является начальным (“холостым”) для относительного кода. Последние восемь символов в каждой строке являются проверочными символами кода Хемминга, позволяющие исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке. Кадр содержит 15 строк (30 с), суперкадр 5 кадров (2,5 мин).

В составе каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ и часть альманаха системы. Полный альманах передается в пределах суперкадра.

Оперативная ЦИ в кадре относится к НКА, излучающему навигационный радиосигнал, и содержит:

·  признаки достоверности ЦИ в кадре;

·  время начала кадра t_k;

·  эфемеридную информацию  координаты и производные координат НКА в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t₀;

·  частотно-временные поправки (ЧВП) на момент времени t₀ в виде относительной поправки к несущей частоте навигационного радиосигнала и поправки к БШВ НКА;

·  время t₀.

Время t₀, к которому “привязаны” ЭИ и ЧВП, кратны 30 мин от начала суток.

Альманах системы содержит:

·  время, к которому относится альманах;

·  параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к БШВ для каждого штатного НКА в ОГ (24 НКА);

·  поправку к ШВ системы относительно ШВ страны, погрешность поправки не более 1 мкс.

Альманах системы необходим в НАП для планирования сеанса навигации (выбор оптимального созвездия НКА) и для приема навигационных радиосигналов в системе (прогноз доплеровского сдвига несущей частоты). Оперативная ЦИ необходима в НАП в сеансе навигации, так как ЧВП вносятся в результаты измерений, а ЭИ используется при определении координат и вектора скорости потребителя.

В системе НАВСТАР ЦИ в узкополосных навигационных радиосигналах структурирована следующим образом: строка имеет длительность 6 c, кадр содержит 5 строк (30 с), суперкадр  25 кадров (12,5 мин).

Узкополосные навигационные радиосигналы в системе ГЛОНАСС обеспечивают более оперативный прием (обновление) альманаха за счет более короткой длительности суперкадров (2,5 мин) по сравнению с системой НАВСТАР (12,5 мин)

Навигационные измерения в многоканальной НАП

Рассмотрим многоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначенную для глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемная антенна.

В каждом канале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналом принимается ЦИ и ежесекундно измеряются два навигационных параметра  псевдодальность и радиальная псевдоскорость.

Псевдодальность от объекта до НКА измеряется в НАП посредством измерения сдвига принимаемой ПСП1 относительно опорного сигнала в НАП. Радиальная псевдоскорость объекта относительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частоты принимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигнала в НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.

Результаты измерений псевдодальностей S_k(t) не менее, чем для четырех выбранных НКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можно выразить следующим образом :

 S_k(t)=R_k(t)+c (t)+c  _k(t)+ S_k(t),

где R_k(t)  дальность от объекта до НКА; с  скорость света;   (t)  сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы;   _k(t)  погрешность ЧВП;  S_k(t)  погрешность измерений в НАП.

В двухдиапазонной НАП навигационные измерения псевдодальностей на двух несущих частотах  _в 1600 МГц и  _н 1250 МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом. Обозначим S₀(t)  измеренная псевдодальность без ионосферных погрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов

S_в(t)=S₀(t)+А/ ; S_н(t)= S₀(t)+А/ ,

где А/ ²  ионосферная погрешность измерения псевдодальности, то алгоритм получения объединенного результата S₀(t), в котором исключены ионосферные погрешности будет следующим:

S₀(t)= S_в(t)-S_н(t); m= _н / _в=7/9.

Погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:

 S₀ =  S_в -  S_н = 2,53 S_в - 1,53 S_н .

В сеансе навигации результаты измерений в НАП псевдодальностей относительно не менее четырех НКА, выбранных для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных НКА позволяют определить три координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала) относительно ШВ системы.

Задача настоящего раздела  оценить погрешность измерения псевдодальностей в многоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов. Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальной НАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера (в однодиапазонной НАП).

При оценке погрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входе приемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1 применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейного участка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.

Шумовую погрешность  (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можно оценить следующим образом:

 (S) = ,

где c  скорость света; F₁  тактовая частота ПСП1; P_c /g_ш  энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала на входе приемника; k  ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k  1,5); T₀  интервал осреднения (накопления) измерений.

Энергетические потенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП с широконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]:

	 =90	 =5
1600 МГц	+47...49	+39...44
1250 МГц	+43...45	+34...39

и соответственно шумовые погрешности однодиапазонных измерений при осреднении T₀ = 1с составят [м]:

	    	   
 (Sв) 1600 МГц	1,7...2,1	3,3...6,0
 (Sн) 1250 МГц	3,0...4,0	5,9...10,5

Шумовую погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности найдем следующим образом:

 (S₀)={[2,53 (S_в)]²+[1,53 (S_н)]²}^1/2 ;

и соответственно получим при T₀=1c

 (S₀)=

Навигационный радиосигнал от пригоризонтного НКА может приходить к наземному подвижному объекту не только прямым путем но и за счет зеркального отражения от земной поверхности (многолучевость). Отраженный радиосигнал приходит к объекту с направления ниже местного горизонта, и при зеркальном отражении изменяется на противоположное направление круговой поляризации радиосигнала. С учетом данного обстоятельства и за счет пространственной избирательности приемной антенны мощность отраженного радиосигнала P_c2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала P_c1 на входе приемника.

Погрешность измерения псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленная многолучевостью при использовании узкополосного навигационного радиосигнала, будет максимальна в худшей ситуации, когда задержка  t отраженного радиосигнала относительно прямого радиосигнала на входе приемника будет равна  t=1/2F₁, где F₁  тактовая частота ПСП1. При  t  1/2F₁, и при  t 3/2F₁ погрешность будет много меньше, чем в худшей ситуации. При T₀=1 c погрешность псевдодальности до пригоризонтного НКА из-за многолучевости в худшей ситуации для узкополосных навигационных радиосигналов будет равна

 (S)= .

Подставляя P_c2/P_c1= - (30...32) дБ, получим  (S)= 3,0 м, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Следовательно, при двухдиапазонных измерениях (1600 МГц, 1250 МГц) и T₀ =1 c получим:

 (S₀)=  (S)=9,0м.

В тропосфере скорость распространения радиоволны равна c=c₀/n(h), где с_0 скорость распространения света в вакууме; n(h) коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)  .

Тропосферную погрешность беззапросного измерения дальности (псевдодальности) для НКА при углах возвышения НКА     можно найти следующим образом:

 R( )=

В НАП тропосферные погрешности компенсируются расчетными поправками. Если рассчитывать тропосферные поправки для средних параметров тропосферы (глобально), то их погрешность  ( R) составит 10% от величины поправки  R( ).

Для оценки погрешностей можно воспользоваться простой экспоненциальной моделью тропосферы:

 n(h) =  n(0) e^-h/а;

и, подставив средние значения  n(0)=3 10^-4, a=8 км, получим:

 , угл.град..........................	90	10	5
 R( ), м.............................	2,5	15	30
 ( R), м.............................	0,25	1,5	3,0

Проведем оценку ионосферных погрешностей измерения псевдодальности в однодиапазонной НАП (1600 МГц). Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах от 300 до 400 электронная концентрация в ионосфере максимальна и выше с увеличением высоты уменьшается приблизительно экспоненциально и на высоте 900 км электронная концентрация в ионосфере составляет приблизительно 10% от максимальной.

Групповая скорость радиосигнала в ионосфере равна с = с₀n(h), где с₀  скорость света в вакууме, n(h)  коэффициент преломления ионосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)<1. Коэффициент преломления в ионосфере n(h) зависит от частоты радиосигнала и для частоты радиосигнала f >100 МГц можно воспользоваться равенством:

 n(h) = 1-n(h) = 40,3 N(h) / f ²,

где N(h)  электронная концентрация ионосферы на высоте h [эл/см³]; f-несущая частота радиосигнала [кГц].

Проведем оценку ионосферных погрешностей беззапросного измерения дальности (псевдодальности) до околозенитного и пригоризонтного НКА.

Ионосферную погрешность при вертикальном прохождении радиолуча к наземному объекту от зенитного НКА можно оценить следующим образом:

 R₁=  

Вертикальный профиль величины  n(h) в зависимости от высоты можно представить в виде:

1.  при h  h₁=100 км  n(h) = 0 ;

2.  при h