Особенности построения СРНС

СРНС США «Навстар». Иначе, Globale Portioning System/Navigation Satelite Time and Ranging, сокращенно GPS/Navstar. Строится на указанных выше принципах. В варианте системы 1996 г. предусматривается использование 24 среднеорбитальных спутников (рис. 10.3), размещенных на шести круговых орбитах высотой 20200 км с наклонением 55° и периодом обращения 12 ч.

Каждый спутник излучает широкополосные сигналы дециметрового диапазона на частотах f1 и f2 с относительной нестабильностью частоты за сутки менее 10^-13. На частоте f1 в квадратуре (со сдвигом фаз 90°) излучаются два независимых сигнала с фазовой манипуляцией. Первый – кодирован свободно используемым С/А (Clear Acquisition) кодом с тактовой частотой f₀/10, периодом повторения около 1 мс, доступным как военным, так и гражданским пользователям. Второй – кодирован защищенным Р (Protected) кодом с тактовой частотой f0, периодом обновления, равным неделе, и доступен только военным пользователям. На частоте f2 излучается сигнал с Р-кодом, предназначенный для компенсации ионосферных погрешностей в случае военных применений.

Рис.10.3. Группировка системы «Navstar»

Аппаратура военных и гражданских пользователей получает эфемеридную информацию и поправки временной шкалы путем амплитудной модуляции навигационных сигналов. Состояние спутниковой аппаратуры выдачи этой информации контролируется несколько раз в сутки. По результатам экспериментальной проверки СКО ошибки измерения координат составляют менее 10 м при Р-коде и порядка 30...100 м при С/А-коде.

СРНС России «ГЛОНАСС» (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) в составе 24 среднеорбитальных спутников, размещенных на трех круговых орбитах с наклонением 64,8°, и высотой 19100 км. Период обращения НКА равен Т = 11 ч 15 мин 44 с. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120°. В каждой орбитальной плоскости расположено по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°. Орбитальные плоскости сдвинуты друг относительно друга на 15°, т.е. спутники в соседних орбитальных плоскостях смещены на 15° по аргументу широты. Пример их группировки показан на рис.10.4.

Рис. 10.4. Группировка «ГЛОНАСС»

Система работает в диапазонах частот 1597...1617 МГц и 1240...1260 МГц в условиях фазовой манипуляции сигналов и разноса частот излучений спутников. Как и в СРНС «Navstar», предусмотрены режимы повышенной и стандартной точности.

Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования гражданскими потребителями, находящимися в любой стране мира. Данный сигнал обеспечивает возможность определения с вероятностью 99,7%:

горизонтальных координат с точностью 50...70 м;

вертикальных координат с точностью 70 м;

составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;

времени с точностью 0,7 мкс.

Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным (закрытым).

Сигналы стандартной и высокой точности излучаются на частотах L1 и L2. (В новых НКА – дополнительно L3)

Европейская СРНС «Галилео». Программа «Галилео» утверждена Президиумом Европейского сообщества (ЕС) 15 марта 2002 г. Архитектура этого проекта является открытой и предполагает взаимодействие с другими СРНС -модернизированной GPS и ГЛОНАСС. Ожидается, что совместное использование систем GPS и «Галилео» обеспечит более высокую точность местоопределения, чем коммерческий канал GPS .

Орбитальная группировки НКА «Галилео» состоит из 30 НКА на трех средних орбитах высотой 23616 км с наклонением 56°. Величина наклонения орбит СРНС «Галилео» выбрана с точки зрения обеспечения лучшей наблюдаемости группировки в северном полушарии. Пример их группировки показан на рис.3.

В каждой орбитальной плоскости расположено 9 равноудаленных НКА. В группировке используется также 3 дополнительных активных НКА (по одному на каждой орбите), размещенных в промежутках между равноудаленными НКА. Группировка НКА «Галилео» при данной геометрии и высоте орбит повторяется в небе примерно каждые 24 ч, в то время как движение каждого спутника относительно Земли повторяется каждые трое суток.

Рис.10.5. Группировка «Галилео»

Такое размещение НКА имеет преимущество по геометрическому фактору (по сравнению с чисто симметричным размещением тех же 30 НКА) при деградации созвездия, т.е. при выходе из строя отдельных НКА. В перспективе, кроме среднеорбитальных НКА в состав СРНС «Галилео» планируется включить и геостационарные НКА.

Кроме орбитальной группировки в состав СРНС «Галилео» входят объекты наземной инфраструктуры, включая комплекс управления, а также пользовательский сегмент (аппаратура потребителей).

Работа системы «Галилео» обеспечивает четыре основные службы:

1) Открытая общедоступная служба Open Service (OS) по обеспечению навигации и определения координат подвижных объектов с передачей данных по мобильной связи. Эти услуги предоставляются бесплатно;

2) Служба, связанная с обеспечением безопасности движения Safety-of-Life Service (SLS), позволяющая получить высокую вероятность (до 0,999) определения координат "с холодного старта" (с первого включения) в соответствии с требованиями ряда международных авиационных и морских организаций: ICAO, IMO и др;

3) Служба Public Regulated Service (PRS), в задачи которой входит предоставление навигационной информации госструктурам, полиции, гражданской обороне, экстренной помощи и т.п. Основным требованием к этой службе является защита информации от внешних воздействий (помех) и несанкционированного доступа со стороны незарегистрированных пользователей;

4) Коммерческая служба Commercial Service (CS) будет предоставлять гарантированные платные услуги зарегистрированным пользователям. В перечень её услуг, кроме услуг службы ОS, входит передача дополнительных данных, используемых при управлении движением (электронные карты и др.).

Частоты всех трех СРНС («Галилео», «Navstar» и «ГЛОНАСС») расположены достаточно компактно, а для сигналов «Галилео», «Navstar», использующих кодовое разделение, – частично в перекрывающихся участках спектра. Это позволяет принимать сигналы всех СРНС одним многосистемным радионавигационным приемником (интеграционные процессы). Наличие большого числа частотных каналов, в сочетании с широкополосными навигационными сигналами, гарантирует надежную помехоустойчивую работу системы, учет и компенсацию ионосферных погрешностей местоопределения, т.е., в конечном итоге, высокую точность навигации.

Китайская СРНС «Бэйдоу» (BeiDou) на базе спутников первого поколения (три геостационарных КА) была развернута в 2000-2003 годах и находилась в эксплуатации около десяти лет. В ней применялся запросный способ определения местоположения, а точность позиционирования составляла десятки метров.

В 2007 году в Китае началось развертывание системы второго поколения на базе КА семейства «Бэйдоу-2». В течение пяти лет на орбиты были выведены 16 спутников, 14 из которых находятся в работоспособном состоянии. Четыре ИСЗ («Бэйдоу-2М») размещены на круговых орбитах высотой около 21 500 км с наклонением 55° и периодом обращения 12 ч 53 мин, пять («Бэйдоу-20») – на геостационарной орбите и четыре («Бэйдоу-2IGSO») – на геосинхронных 24-часовых орбитах с наклонением 55°.

В таком составе орбитальная группировка обеспечивает навигационные услуги на территории страны и в районе с координатами 55° с.ш. – 55° ю.ш., 80…160° в.д. с точностью 10…15 м.

Бортовые передатчики КА семейства «Бэйдоу-2» излучают на трех частотах L-диапазона пять навигационных сигналов с видом модуляции QPSK, в том числе два открытых и три защищенных.

Началось создание системы третьего поколения на базе КА семейства «Бэйдоу-3», которая к 2020 году должна иметь глобальную зону обслуживания и предоставлять навигационные услуги с точностью не хуже 10 м. В составе космического элемента намечается иметь 27 аппаратов на круговых орбитах высотой около 21500 км, пять КА на геостационарной и три на наклонных геосинхронных орбитах.

Индийская региональная СРНС «ИРНСС» (IRNSS - Indian Regional Navigation Satellite System)создается с середины 2000-х годов в интересах военных и гражданских потребителей. Зона обслуживания системы будет охватывать земную поверхность в пределах 40° с.ш. – 40 ю.ш., 40…140° в.д. В соответствии с заданными требованиями точность определения координат должна составлять до 10 м на территории Индии и сопредельных государств и до 20 м в регионе Индийского океана.

Космический элемент будет включать в свой состав три КА на геостационарной и четыре на наклонных 24-часовых орбитах. Первый и второй КА «ИРНСС-1А и -1В» были выведены на геостационарную орбиту в 2013 и 2014 годах. Развертывание орбитальной группировки в полном составе планируется завершить в 2016 году.

Радионавигационная аппаратура КА типа «ИРНСС-1» осуществляет передачу сигналов для военных и гражданских пользователей на частоте 1176,45 МГц, совместимой с сигналами американской СРНС «Navstar» (L5) и европейской «Галилео» (Е5а), и на частоте 2492,08 МГц, предназначенной для обслуживания только национальных потребителей. На обеих частотах передаются защищенный и открытый навигационные сигналы.

Индийское дополнение «GAGAN» (GPS And GEO Augmented Navigation) американской СНС «Navstar» находится в эксплуатации с 2009 года. В настоящее время в состав космического сегмента входят два комплекта навигационной аппаратуры, установленной на геостационарных спутниках связи GSAT 8 и GSAT 10. В дальнейшем планами предусматривается наращивание космического элемента этой системы до трех спутников (запуск КА GSAT 15 намечен на текущий год), развертывание наземных опорных станций на территории других стран региона и сертификация системы согласно требованиям ИКАО.

Японская СРНС «КЗСС» (QZSS – Quasi-Zenith Satellite System) создается одновременно и как самостоятельная система, и как дополнение к «Navstar» для повышения уровня доступности навигационных сигналов в условиях высотной городской застройки и гористой местности. Принцип ее функционирования состоит в том, что над территорией страны постоянно находится один-два геосинхронных спутника приблизительно в зените (при углах места 70…80°), что позволит обеспечивать прием передаваемых ими навигационных сигналов при угле места наблюдения спутника не менее 70° (для Токио – 80°).

Запуск первого геосинхронного КА QZS 1 (другое наименование Michi-biki 1) был осуществлен в 2010 году. Сроки производства и запуска следующих аппаратов пока не определены. Бортовые передатчики излучают на четырех частотах L-диапазона шесть навигационных сигналов, четыре из которых (L1C/A, L1C, L2C, L5) совместимы с сигналами системы «Navstar» и один (LEX) – с аналогичным сигналом (Е6) европейской СНС «Галилео». В наземном элементе используются контрольные станции, находящиеся в Японии, Индии, Австралии, Таиланде, на о. Гуам и Гавайских островах.

Японское дополнение «MSAS» (Multi-transport Satellite based Augmentation System) американской СНС «Navstar» было развернуто в 2005…2006 годах на базе навигационной аппаратуры, установленной на двух геостационарных метеорологических спутниках MTSAT 1R и 2. Запуски очередных двух КА данного типа планируется осуществить в 2016 годах. Система используется в основном для высокоточного навигационного обеспечения полетов авиации в зоне действия японской системы управления воздушным движением.

Основной источник лекций