Спутниковая система ГЛОНАСС

Содержание

1. Исторические сведения…………………………………….………..3

2. Структура спутниковых радионавигационных систем…………6

2.1. Подсистема космических аппаратов………………………………7

2.2. Наземный командно-измерительный комплекс………………….8

2.3. Навигационная аппаратура потребителей СРНС………..………9

2.4. Взаимодействие подсистем СРНС в процессе определения

текущих координат спутников…………………………………..………9

3. Основные навигационные характеристики НС…………….……10

4. Решение навигационной задачи……………………………………..13

5. СРНС ГЛОНАСС………………………………………………………14

5.1. Структура и основные характеристики……………………………14

5.2. Назначение и состав подсистемы контроля и управления……..16

5.2.1. Центр управления системой……………………………………..16

5.2.2. Контрольные станции…………………………………………….17

5.2.3. Эфемеридное обеспечение………………………………………..18

5.2.4. Особенности формирования эфемеридной

информации в ГЛОНАСС……………………………………………….18

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………..19

1. Исторические сведения

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Со¬ветском Союзе первого в ис-тории человечества искусственного спутника Зем¬ли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координа-тами позволили определить параметры движения этого спутника.

Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обес-печения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструк¬торским ра-ботам над первой отечественной низкоорбитальной системой, по¬лучившей в дальней-шем название "Цикада".

В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поко¬ления "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые ор-биты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распреде¬лением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в сред¬нем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности нави¬гационного сеанса до 5 ... 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навига-ционных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенст¬вованием бортовых систем спут-ника и корабельной приемоиндикаторной ап¬паратуры, разработчиками системы серь-езное внимание было уделено вопро¬сам повышения точности определения и прогнози-рования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирова-ния, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычисле-нию коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначенной специ¬ально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В ре-зультате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собст¬венных эфе-мерид была повышена практически на порядок и составляет в на¬стоящее время на ин-тервале суточного прогноза величину  70 ... 80 м, а среднеквадратическая погреш-ность определения морскими судами своего ме¬стоположения уменьшилась до 80 ... 100 м.

Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы прием¬ной измеритель-ной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются спе-циальными радиобуями, излучающими сигналы бедст¬вия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками систе¬мы "Цикада" и ретранслируются на спе-циальные наземные станции, где про¬изводится вычисление точных координат аварий-ных объектов (судов, самоле¬тов и др.).

Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-ка¬надской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже не-сколько тысяч спасенных жизней.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигацион¬ных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутни¬ковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навига¬ционной системы, удовлетво-ряющей требованиям всех потенциальных потре¬бителей: авиации, морского флота, на-земных транспортных средств и косми¬ческих кораблей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорби¬тальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспек-тивная спутниковая навигационная система должна обеспечи¬вать потребителю в лю-бой момент времени возможность определять три про¬странственные координаты, век-тор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных ко-ординат беззапросным методом требу¬ется проведение измерений навигационного па-раметра не менее чем до четы¬рех спутников, при этом одновременно с тремя коорди-натами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных часов относительно шка¬лы времени спутниковой системы.

Исходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутнико-вой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиови-димость потребителей, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутни-ков, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и к уменьшению необхо-димого количества спутников в системе). Для гарантированной видимости потребите-лем не менее четырех спутников, их количество в системе должно составлять 18, одна-ко оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекуд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10 ... 15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времен потребова-ло установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1•1013 и наземного водородного стандарта с относи-тельной нестабильностью 11014, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3 ... 5 нс.

С помощью этих средств и специального математического обеспечения произво-дится определение расхождений бортовых шкал времени с наземной шкалой и их про-гнозирование для каждого спутника системы. Результат прогноза в виде поправок к спутниковым часам относительно наземных закладываются на соответствующие спут-ники и передаются ими в составе цифровой информации навигационного сигнала. По-требителями таким образом устанавливается единая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системы не превышает 15 ... 20 нс.

Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной систем является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спут-ников.

Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутнике потребо-вало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полю-сов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных не-герметичностью двигательных установок газоотделением материалов покрытий.

Для экспериментального определения параметров геопотенциала на орбиты нави-гационных спутников были запущены два пассивных ИЗС "Эталон ("Космос-1989" и "Космос-2024"), предназначенных для измерения параметров их движения высокоточ-ными квантово-оптическими измерительным средствами. Благодаря этим работам дос-тигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогно-зе на 30 ч составляет: вдоль орбиты — 20 м; по бинормали к орбите — 10 м; по высоте 5 м (СКО).

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной

системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. за¬пуском спутника "Космос-1413"..."

В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штат¬ного со-става