23 Спутниковые радионавигационные системы. Дифферинциальный и интегральный методы определения координат по одному исз( искусственному спутнику земли)

[казаринов, 297-301]

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) – это комплекс технических средств, в котором используются ИЗС с известными параметрами движения для измерения координат объектов на поверхности Земли и околоземном пространстве радиотехническими методами.

Использование ИЗС в качестве радионавигационной опорной станции (радиомаяка), координаты которой хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени, позволило создать ряд СРНС, отличающихся параметрами орбиты ИСЗ и методами определения координат объекта.

В СРНС первого поколения использовались и используются низковысотные ИЗС, а координаты объекта (приемника) определяются по сигналам одного ИСЗ, находящегося в зоне радиовидимости приемника.

Рассмотрим упрощённую модель определения координат объекта с помощью сигналов одного ИСЗ.

Пусть ИСЗ вращается с известной постоянной скоростью по окружности радиусом в плоскости, проходящей через центр Земли (О) (рисунок 4.8).

а) Дифференциальный доплеровский метод определения координат

Сущность метода заключается в том, что для измерения расстояния между ИСЗ и П момент времени и построения линии положения используется зависимость доплеровского сдвига частоты радиосигнала ИСЗ от времени (рисунок 4.11).

Приемник объекта имеет возможность сравнить частоту принимаемого от ИСЗ колебания с частотой собственного (бортового эталона), частота колебаний которого совпадает с частотой излучения ИСЗ -

Рисунок 4.11 - Дифференциальный метод определения координат

Измерив разность частот , можно построить зависимость от времени; причем момент , когда соответствует кратчайшему расстоянию между ИСЗ и П. Зная координаты ИСЗ в момент и направление его движения, можно построить линию положения СП на поверхности Земли (линия на поверхности Земли, для которой ).

Для определения местоположения П на линии положения измеряется наклонная дальность от П до ИСЗ, которая зависит от крутизны функции в точке .

, (4.4)

где - масштабирующий коэффициент.

Используя , можно построить поверхность положения, которая в данном случае является сферой с центром в точке расположения ИСЗ; точка пересечения этой сферы с линией положения СП определяет местоположение приемника (П).

б) Интегральный доплеровский метод определения координат

Сущность метода заключается в том, что для определения расстояния между ИСЗ и П используется изменение во времени радиальной скорости ИСЗ, движущегося в зоне видимости приемника.

Интегральный метод имеет более высокую помехоустойчивость, так как использует длительное наблюдение сигнала. Известно, что доплеровский сдвиг частот связан с радиальной составляющей скорости движения ИСЗ относительно точки П

. (4.5)

Тогда

, (4.6)

где – интервал наблюдения,

– радиальная скорость,

и - наклонная дальность П и ИСЗ в момент времени и (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 - Интегральный метод определения координат

Из (4.6) следует, что

;

аналогично

. (4.7)

Каждое значение соответствует поверхности положения в виде гиперболоида; его пересечение с поверхностью Земли дает одну из линий положения . Пересечение линий положения позволяет определить координаты приемника. Возможная при этом неоднозначность (точка пересечения линий положения не является единственной) устраняется, как и в наземных РНС, с помощью дополнительных данных о координатах приемника.

Информация о параметрах орбиты ИСЗ и параметрах движения ИСЗ передается с помощью модуляции радиосигнала, излучаемого передатчиком спутника.

Примером использования интегрального доплеровского метода является низкоорбитальная СРНС «Транзит». В состав этой СРНС входят пять или шесть ИСЗ, наземный комплекс контроля и парк бортовой аппаратуры потребителей (приемники). ИСЗ имеют круговые полярные орбиты высотой около 1100 км с периодом обращения около 107 мин; каждый ИСЗ находится в зоне радиовидимости потребителя от 10 до 16 мин.

В этой системе применяются два высокочастотных сигнала: основной 400 МГц и вспомогательный 150 МГц, что дает возможность компенсации ошибки, обусловленной рефракцией сигналов при доплеровских измерениях. Информация о параметрах движения ИСЗ осуществляется с помощью двоичных сигналов и фазовой модуляции обеих несущих частот. СРНС «Транзит» позволяет определить местоположение неподвижного потребителя (П) с точностью до 50 м; средний интервал между измерениями колеблется от 35 мин. (в приполярной зоне) до 50 мин. (вблизи экватора); уменьшить этот интервал невозможно, так как все ИСЗ используют одни и те же частоты несущих колебаний.

Таким образом, недостатки низкоорбитальной СРНС сводятся, в основном, к следующему: малая точность определения координат, особенно движущихся потребителей; большой интервал времени между измерениями.