5.3.2 Структура спутниковой радионавигационной системы
Общая структура спутниковой радионавигационной системы представлена на рисунке 5.5.
Рис.5.5. Состав спутниковой радионавигационной систем
Спутниковая радионавигационная система состоит из следующих частей:
- космический сегмент;
- наземный комплекс управления и контроля;
- сегмент навигационной аппаратуры потребителей;
Для расширения возможностей СРНС по точности в ее состав включают наземное функциональное дополнение (дифференциальный сегмент).
Космический сегмент системы состоит из определенного числа навигационных спутников (НИСЗ).
Основные функции навигационных спутников:
- формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС;
- контроль бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС.
Для реализации этих функций в состав аппаратуры НС включены радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от наземного контрольно-измерительного комплекса, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты, солнечные батареи и т. д.
Наземный комплекс управления и контроля включает в себя командно – измерительный комплекс, космодром и сеть станций траекторных измерений и управления (СТИ).
Командно-измерительный комплекс (КИК) - комплекс наземных средств, которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движения навигационных спутников, качеством функционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др.
КИК состоит из координационно-вычислительного центра (КВЦ) и системного (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ).
Периодически при полете НИСЗ в зоне видимости СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные закладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.
Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, в свою очередь синхронизируемого со стандартом всемирного координированного времени UTC .
Способ функционирования современных СРНС во многом схож с принципом работы наземных радиомаячных навигационных средств. Однако необходимость постоянного определения текущих координат НИСЗ и выбора из них видимых потребителю существенно отличает СРНС от традиционных радиомаячных РНС (РСБН, РСДН), в которых координаты радиомаяков известны и постоянны. Непрерывное нахождение текущих координат НИСЗ, движущихся с большими изменяющимися во времени скоростями, представляет собой сложную задачу.
Координаты НИСЗ могут быть определены в общем случае на КИК или непосредственно на спутнике (самоопределяющиеся НИСЗ).
В настоящее время отдается предпочтение первому подходу. Это связано с тем, что существуют хорошо апробированные на практике методы и средства решения этой проблемы в наземных условиях.
В современных СРНС управление НС осуществляется с ограниченных территорий и, следовательно, не обеспечивается постоянное взаимодействие КИК и сети НИСЗ. В связи с этим выделяют два этапа решения этой задачи.
На первом этапе в аппаратуре КИК измеряют координаты спутников в процессе их пролета в зоне видимости и вычисляют параметры их орбит. Эти данные прогнозируются на фиксированные (опорные) моменты времени, например, на середину каждого получасового интервала предстоящих суток, до выработки следующего прогноза.
Спрогнозированные координаты спутников и их производные (эфемериды) передаются на НИСЗ, а затем в виде навигационного (служебного) сообщения, соответствующего указанным моментам времени, доводятся потребителям.
На втором этапе в аппаратуре потребителя по этим данным осуществляется последующее прогнозирование координат НС, т. е. вычисляются текущие координаты НС в интервалах между опорными точками траектории. Процедуры первичного и вторичного прогнозирования координат проводят при известных закономерностях движения НС.
в навигационное сообщение для НИСЗ, КИК закладывает альманах - набор справочных сведений обо всей сети НС, в том числе загрубленные эфемериды НИСЗ, которые обычно используются для определения видимых потребителю спутников и выбора рабочего созвездия, обеспечивающего высокое качество НВО.
Темп обновления точной эфемеридной информации (ЭИ) значительно выше, поэтому ее часто называют оперативной ЭИ в отличие от долговременной ЭИ в альманахе.
Космодром - это оборудованная в инженерном отношении территория, на которой размещены функционально увязанные между собой сооружения и технические средства, обеспечивающие прием с заводов-изготовителей и хранение элементов ракетно-космической техники, подготовку средств выведения и космических аппаратов и их пуск.
Космодром обеспечивает вывод навигационных ИСЗ на требуемые орбиты при развёртывании спутниковой радионавигационной системы и восполнение её состава по мере выработки ресурса навигационными спутниками.
Сегмент аппаратуры потребителей - это приемоиндикаторы СРНС, состоящие из радиоприемника и вычислителя, предназначены для приема и обработки навигационных сигналов спутников с целью определения необходимой воздушным судам информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т. п.).
Пространственное положение воздушного судна обычно определяется в приемоиндикаторе в два этапа:
сначала определяются текущие координаты спутников и первичные навигационные параметры (дальность, ее производные и др.) относительно соответствующих НС;
затем рассчитываются вторичные - географическая широта, долгота, высота потребителя и т. д.
Сравнение текущих координат воздушного судна с координатами выбранных навигационных точек (точек маршрута, реперов и т. п.) позволяет сформировать в приемоиндикаторе сигналы для управления летательным аппаратом. Вектор скорости самолета вычисляют путем обработки результатов измерений доплеровских сдвигов частоты сигналов НС с учетом известного вектора скорости спутника. Для нахождения пространственной ориентации воздушного судна в приемоиндикаторе СРНС осуществляются разностные измерения с использованием специальных антенных решеток.
Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используют для определения в аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров, вторые - для передачи потребителям координат спутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготавливается в наземном командно-измерительном комплексе и передается по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.
Минимальные требования к бортовому навигационному оборудованию определены требованиями документа TSO C – 129, разработанного Управлением сертификации ЛА США. TSO S – 129 определены три различных класса оборудования:
1. Класс А – датчики, способные решать навигационные задачи для ручного управления полетом и осуществлять контроль целостности системы (Целостность - это способность навигационной системы своевременно и обоснованно предупреждать пользователя в тех случаях, когда система не должна использоваться для отдельной операции.)
Класс А1 – оборудование для полёта по маршруту и неточного захода на посадку;
Класс А2 – оборудование для полёта по маршруту и в районе аэродрома.
2. Класс В – датчики , обеспечивающие передачу данных местоположения в интегрированную навигационную систему, для обеспечения ручного и автоматического управления полётом ВС (классы В1, В2, В3, В4).
3. Класс С – оборудование, аналогичное средствам класса В, но имеющее расширенные связи с системой управления ВС, позволяющие снизить ошибки пилотирования (классы С1, С2, С3, С4).
Наземное функциональное дополнение (дифференциальная подсистема) – наземная сеть контрольно – корректирующих станций, формирующая и передающая потребителю поправки для повышения точности навигационных определений и сигналы целостности.