GPS-навигация

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему:

"GPS навигация"

АННОТАЦИЯ

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается исследование орбитального движения спутников ГЛОНАСС методом имитационного моделирования на компьютере в программном продукте, написанном в среде MatLab, для представления сложного вычислительного материала в виде наглядного результата для получения качественных и количественных характеристик. Рассмотрены особенности общих принципов функционирования систем спутниковой навигации, интерфейс и структура навигационного сообщения. Произведён расчёт координат, орбит, скоростей, времени видимости и количества видимых спутников ГЛОНАСС по данным альманаха. Кроме того, выполнено технико-экономическое обоснование, расчёт основных экономических показателей, рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта.

ABSTRACT

In the given final qualifying work research of orbital movement of companions GLONASS by a method of imitating modeling on the computer in the form of the software product written in the environment of MatLab, for representation of a difficult computing material in the form of evident result for reception of qualitative and quantitative characteristics is considered. Features of the general principles of functioning of systems of satellite navigation, the interface and structure of the navigating message are considered. Calculation of coordinates, speeds, times of visibility and quantity of visible companions GLONASS according to the almanac is made. Besides the feasibility report, calculation of the basic economic parameters, are executed. Safety issues and ecological compatibility of the project are considered.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем

1.2 Общие представления о небесной сфере

1.3 Системы координат

1.4 Время

1.5 Движение навигационного спутника по орбите

1.6 Выводы по главе 1

2. СИГНАЛ НКА СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

2.1 Определение интерфейса

2.2 Структура навигационного радиосигнала

2.3 Описание интерфейса

2.4 Выводы по главе 2

3. СТРУКТУРА НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ

3.1 Назначение навигационного сообщения

3.2 Содержание навигационного сообщения

3.3 Структура навигационного сообщения

3.4 Оперативная информация навигационного сообщения

3.5 Неоперативная информация навигационного сообщения

3.6 Выводы по главе 3

4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРБИТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС

4.1 Файл ORBITA_GLONASS

4.2 Входные данные

4.3 Функция map

4.4 Функция read_Alm

4.5 Функция Gln_data_from_NA

4.6 Функция JD_data

4.7 Функция LLH_to_ECEF

4.8 Функция WGS84_to_PZ90

4.9 Функция ECEF_to_LLH

4.10 Функция GLN_satfind

4.11 Функция ris_vis_sat

4.12 Результаты выполнения файла ORBITA_GLONASS

4.13 Выводы по главе 4

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Обоснование необходимости проведения НИР

5.2 Определение трудоемкости проведения НИР

5.3 Расчет себестоимости проведения НИР

5.4 Построение ленточного графика проведения НИР

5.5 Выводы по главе 5

6. Безопасность и экологичность выпускной квалификационной работы

6.1 Характеристика объекта с точки зрения безопасности

6.2 Анализ опасных и вредных факторов

6.3 Мероприятия по защите от опасных и вредных факторов

6.4 Экологичность работы

6.5 Выводы по главе 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Рубеж XX-XXI веков выделяется двумя значимыми событиями. Глобальные спутниковые радионавигационные системы позиционирования становятся в ряд систем массового обслуживания, компьютер стал в неограниченных объемах доступен студентам. Действительно, спутниковая радионавигация применяется в авиации, управлении наземным и морским транспортом, геодезии, картографии, мониторинге газо и нефтепроводов, высотных сооружений, наблюдениям за смещением материков и многих других отраслях. При этом достигнуты точности определения координат от миллиметров до нескольких десятков метров. Мировое сообщество может пользоваться спутниковыми системами GPS и ГЛОНАСС безвозмездно. В стадии завершения находятся системы EGNOS и GALILEO, ориентированные только на гражданских потребителей. Следует ожидать, что в 2009-2010 годах спутниковая радионавигация будет присутствовать в каждом мобильном телефоне.

Среди компьютерных технологий выделяется система MatLab, имеющая открытые программные коды и позволяющая решить практически любую вычислительную задачу. Руководство пользователя системой MatLab содержит более 4000 страниц, значительная часть которых переведена на русский язык. Достаточно обратиться к библиографии книг [17, 18].

Целью данной ВКР является получение модели орбитальной группировки спутников системы ГЛОНАСС в программной среде MatLab.

Задачи: изучить общие характеристики спутниковых систем навигации, интерфейс ГЛОНАСС и структуру навигационных данных; написание программы орбитального движения спутников ГЛОНАСС в среде MatLab, с возможностью определения координат, скоростей, времени видимости и количества видимых спутников ГЛОНАСС по данным альманаха.

1. СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

спутниковый радиосигнал навигационный орбитальный

1.1 Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем

Спутниковые радионавигационные системы представляют собой всепогодные системы космического базирования и позволяют в глобальных масштабах определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а как же осуществлять точную координацию времени.

Принцип действия систем заключается в том, что навигационные спутники излучают специальные электромагнитные сигналы. Аппаратура потребителей, расположенная на объектах, находящихся на поверхности Земли или околоземном пространстве принимает эти сигналы и после специальной обработки вырабатывает данные о местоположении и скорости объекта. На рис. 1.1 представлена спутниковая радионавигационная система как высокотехнологичная информационная система, состоящая из пяти основных сегментов.

Рисунок 1.1 Организация спутниковой радионавигационной системы

Наземный управляющий сегмент включает в себя центр управления космическим сегментом, станции слежения за навигационными спутниками (радиолокационные и оптические), аппаратуру контроля состояния навигационных спутников. Управляющий сегмент решает задачи определения, прогнозирования и уточнения параметров движения навигационных спутников, формирования и передачи в бортовую аппаратуру спутников цифровой информации, а также ряд контрольных и профилактических функций. Космический сегмент представляет собой систему навигационных спутников, вращающихся по эллиптическим орбитам вокруг Земли. На каждой орбите находятся несколько спутников. Навигационный спутник имеет на борту радиоэлектронную аппаратуру, излучающую в направлении Земли шумоподобные непрерывные радиосигналы, содержащие информацию необходимую для проведения навигационных определений с помощью аппаратуры потребителя.

Благодаря достаточному количеству навигационных спутников и специальным параметрам радиосигналов аппаратура потребителя может в любое время, при любых погодных условиях принимать излученные спутниками сигналы и определять местоположение, скорость и время.

Сегмент пользователей потенциально может состоять из неограниченного количества спутниковых навигационных приемников, которые принимают сигналы навигационных спутников и производят расчеты текущего местоположения, скорости и времени с погрешностями, определяемыми спутниковой навигационной системой и аппаратурой потребителя. Сегменты наземных и космических функциональных дополнений представляет собой аппаратурно-программные комплексы, предназначенные для обеспечения точности навигационных определений, целостности, непрерывности, доступности и эксплуатационной готовности системы.

1.2 Общие представления о небесной сфере

Наблюдатель на Земле может представить воображаемую сферу произвольного радиуса с центром в глазу наблюдателя, на поверхность которой проецируются изображения небесных тел. На рис. 1.2 - 1.5 представлена условная поверхность называема небесной сферой.

Рисунок 1.2 Небесная сфера с точки зрения наблюдателя с Земли

Рисунок 1.3 Небесный экватор и небесный меридиан

Рисунок 1.4 Координаты любой звезды или светила в экваториальной системе координат и название позиционных точек



Рисунок 1.5 Кажущееся годовое движение Солнца по эклиптике

Рисунок 1.6 Земной шар

Склонением небесного светила называется угол между направлением из центра небесной сферы на данное светило и плоскостью небесного экватора.

1.3 Системы координат

Для описания движения навигационного спутника используется геоцентрическая инерциальная система координат (рис. 1.7).



Рисунок 1.7 Геоцентрическая инерциальная система координат

Второй используемой системой координат является геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная система на рис. 1.8. Поскольку Земля вращается, то эта система координат также вращающаяся.

Угол между осями ОХ₀ и ОХ обозначаемый далее через S соответствует гринвичскому звездному времени.

Рисунок 1.8 Геоцентрическая вращающаяся прямоугольная система

Можно выделить три понятия: местная, геоцентрическая инерциальная (рис. 1.7) и геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная (рис. 1.8).

В местной системе координат, традиционно, национальные топографические службы определяли форму поверхности Земли наиболее точно соответствующую территории государства в качестве базиса для картографии.

Геоцентрические системы координат: инерциальная и гринвичская (вращающаяся) применяются в спутниковой радионавигации.

Связь между инерциальной и вращающейся системами координат дается соотношениями:

, ,(1.1)

, ,(1.2)

,(1.3)

где ; - гринвичское звездное время; - скорость вращения Земли; X, Y, Z - координаты инерциальной системы; x, у, z - координаты гринвичской системы; Vx, Vу, Vz - скорости вдоль соответствующих осей в инерциальной системе; x, у, z - скорости вдоль соответствующих осей в гринвичской системе.

Геодезическая основа тесно связана с формой поверхности Земли.

Как известно на ранней стадии считалось, что Земля имеет форму шара. Позднее в качестве фигуры Земли был принят эллипсоид. Это геометрические приближения. Вообще же форма Земли есть геоид - динамическая уровненная поверхность эквипотенциальная гравитационному полю Земли. Определение формы геоида является одной из основных задач геодезии. Форма геоида прежде всего важна для определения высоты.

Геоид определятся, как идеализированная поверхность океана, проходящая под материками. Эта поверхность совпадает с двумя третями поверхности Земли.

На практике форму геоида определяют по наблюдениям за "средним уровнем моря". При этом имеет место отклонения от идеализируемого геоида, достигающего до 2 метров, связанные с ветрами, изменением состава воды.

Не смотря на то, что Земля как геоид хорошо изучена и продолжает изучаться и исследоваться, поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом. На рис. 1.9 изображена такая аппроксимация.

Высота над поверхностью геоида называется "ортометрической высотой". Ортометрическая высота Н определяется формулой

,

где h - высота над эллипсоидом; N - высота волны геоида.

Рисунок 1.9 Земля как геоид

Поскольку геоид математически описать достаточно сложно, то поверхность Земли аппроксимируют эллипсоидом. Эллипсоид получают при вращении меридианного эллипса вокруг его малой оси. Форма эллипсоида описывается геометрическими параметрами: большой полуосью a, малой полуосью b. Вместо b используют также параметр , называемый сплюснутостью.

Рассмотрим эллипсоидные географические координаты и пространственную эллипсоидную систему координат.

Эллипсоидальных географические координаты (рис. 1.10) определяют следующим образом: начало системы координат "О" - центр массы Земли; географическая (геодезическая) широта - угол в меридианной плоскости между экваториальной плоскостью ХОУ и нормалью к поверхности эллипсоида в точке Р; географическая (геодезическая) долгота - угол в экваториальной плоскости между гринвичским меридианом и плоскостью меридиана, проходящий через точку Р.

Рисунок 1.10 Определение эллипсоидных географических координат

Пространственная эллипсоидная система координат (рис. 1.11) характеризуется тем, что эллипсоидная географическая система координат дополняется параметрами, обеспечивающими определение высоты h над эллипсоидом. При этом любая точка в пространстве задается координатами , , h и формой эллипсоида (а, f).

Высота h над эллипсоидом измеряется вдоль нормали к его поверхности.



Рисунок 1.11 Пространственная эллипсоидная система координат

Таким образом, мы имеем общее представление о системах координат, геодезических основах, опорных геодезических основах.

1.4 Время

В спутниковой радионавигации время играет исключительное значение, поскольку основные навигационные определения производятся по формулам, в которых параметр времени присутствует многократно. Это прежде всего время распространения электромагнитного сигнала от навигационного спутника до потребителя, время "включения" часов спутника, время синхронизации данных передаваемых со спутника, время прохождения электромагнитного сигнала через атмосферу, влияние на время релятивистских эффектов, совмещение шкал времени спутника и потребителя и многое другое.

За единицу измерения времени удобно принимать сутки - время одного обращения Земли вокруг своей оси. В астрономии существуют две единицы времени под названием сутки: звездные сутки и солнечные сутки. Звездные сутки определяются интервалом времени между двумя прохождениями нулевого меридиана через точку весеннего равноденствия у. Солнечные сутки определяются интервалом времени между двумя прохождениями нулевого меридиана через центр видимого Солнца.

Системы всемирного времени. В Астрономическом ежегоднике СССР, начиная с выпуска 1986 года, принята стандартная эпоха 12000,0 в соответствии с резолюцией МАС о введении новой стандартной эпохи, в которой рекомендуется: новой стандартной эпохой (обозначаемой J2000,0) считать дату 2000 год, январь, совпадающую с юлианской датой JD 2451545,0; новое стандартное равновесие соответствует этому моменту; единицей времени, используемой в фундаментальных формулах учета прецессии, считать юлианское столетие в 36525 суток; эпохи (моменты) начала года должны отличаться от стандартной эпохи на величины, кратные юлианскому году, равному 365,25 суток.

Новая стандартная эпоха отстоит точно на одно юлианское столетие от фундаментальной эпохи 1900 года, январь 0,12^h ЕТ, принятой ранее в планетных теориях Ньютона. Любая эпоха может быть определена в новой системе как

J[2000,0 + (JD - 2451545,0)/365,25],

где JD означает заданную юлианскую дату. При необходимости использования прежней, бесселевой системы, основанной на тропическом годе эпохи 1900,0 как единице измерения времени, имеем для той же заданной юлианской даты:

В[1900,0 + (JD - 2415020,31352) / 365.242198781],

где единицей измерения служит продолжительность тропического года (365,242198781) в эпоху В1900.0 (2415020.31352).

Всемирное время - это среднее солнечное время на гринвичском меридиане.

Основные определения [16]: всемирное время (среднее гринвичское время) измеряется часовым углом среднего Солнца относительно гринвичского меридиана, увеличенным на 12^h; земное динамическое время измеряется часовым углом динамического среднего Солнца относительно эфемероидного меридиана, увеличенным на 12^h; местное среднее время измеряется часовым углом среднего Солнца относительно местного меридиана, увеличенным на 12^h; гринвичское звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно гринвичского меридиана; динамическое звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно эфемероидного меридиана; местное звездное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия относительно местного меридиана.

Соответствующая система измерения времени - система всемирного времени - обозначается UT (Universal Time).

В каталогах указывают гринвичское среднее звездное время в 0^h всемирного времени.

В настоящее время различают следующие системы всемирного времени: UT0 - всемирное время, непосредственно получаемое из астрономических наблюдений суточных движений звезд - время на мгновенном гринвичском меридиане, положение которого определено мгновенным положением полюсов Земли; UT1 - всемирное время среднего гринвичского меридиана, определяемого средними положениями полюсов Земли. Оно получается исправлением значений UT0 при помощи поправки из-за движения географических полюсов:

. (1.4)

Поправка зависит от координат мгновенного полюса x_р, у_р, отсчитываемых относительно общепринятого Международного условного начала (СIO, МУН) и имеет вид:

,(1.5)

где и - координаты места наблюдения; UT2, UT1 - всемирное время среднего гринвичского меридиана, освобожденное от влияния части сезонных периодических вариаций угловой скорости вращения Земли прибавлением к значениям UT1 соответствующей сезонной поправки

.(1.6)

1.5 Движение навигационного спутника по орбите

Движение планет и искусственных спутников в пространстве осуществляется по законам небесной механики. Движение искусственных спутников можно оценивать и рассматривать как возмущенное, так и невозмущенное. Невозмущенным движением называется движение под действием сил одного притягивающего центра.

Под возмущенным движением понимают движение спутника, на который помимо силы притяжения Земли, действуют другие возмущающие силы: воздушные поля, притяжения Земли из-за не сферичности и различной плотности, влияния центра масс других планет, сопротивление окружающей среды и прочее.

При невозмущенном движении навигационного спутника его траектория, называемая орбитой описывается уравнением в полярной системе координат r, .

,(1.7)

где: r - радиус вектора; e - эксцентриситет; - полярный угол; р - фокальный параметр.

Уравнение (1.7) при есть окружность, при - парабола, - гипербола, при - эллипс.

Навигационные спутники движутся по эллиптическим орбитам . Рассмотрим рис. 1.12. На рисунке изображена эллиптическая траектория навигационного спутника. Траектория лежит в плоскости, проходящей через центр Земли. Центр масс Земли является одним из фокусов эллипса. Плоскость, в которой расположен эллипс называется орбитальной.

Рисунок 1.12 Ориентация орбитальной плоскости

Ориентация орбитальной плоскости характеризуется ее расположением относительно плоскости экватора, восходящим и нисходящим узлами; долготой восходящего узла и наклонением орбиты.

Прямую, пересечения обеих плоскостей называют линией узлов. Узлами орбиты являются две точки ее пересечения с плоскостью экватора (U и D соответственно). Точка U - восходящий узел, характеризует пересечение плоскости экватора при движении спутника из южной полусферы в северную; точка D - нисходящий узел, характеризует пересечение плоскостей экватора при движении спутника из северной полусферы в южную.

Долгота восходящего узла - отсчитывается в плоскости экватора от оси ОХ до линии ( лежит в пределах 0...360°). Наклонение орбиты i - двухгранный угол между экваториальной и орбитальной плоскостями (i лежит в пределах 0....180°), отсчитываемый против часовой стрелки для наблюдателя, находящегося в точке восходящего узла.

Орбиту называют полярной при i = 90°; экваториальный при i = 0°; наклонной при 0 < i < 90°.

Рассмотрим элементы орбиты спутника в орбитальной плоскости на рис. 1.13. В одном из фокусов эллипса (точка О) находится центр масс Земли. Прямая, проходящая через фокусы эллипса называется линией апсид. Точки пересечения линии апсид с эллипсом называют апсидами. Ближайшая апсида к центру масс Земли (точка П) называется перигей, удаленная - (А) апогей. Угол между линией узлов и линией направлений в сторону перигея называется углом перигея - .

Рисунок 1.13 Эллиптическая орбита спутника

Кроме того, эллиптические орбиты характеризуются следующими параметрами: большой полуосью а; высотой апогея r_А; высотой перигея r_П; временем прохождения через перигей t_n.

1.6 Выводы по главе 1

1. Спутниковая радионавигационная система, как высокотехнологичная информационная система, состоит из пяти основных сегментов: наземный управляющий сегмент, космический управляющий сегмент, сегмент пользователей, сегменты наземных и космических функциональных дополнений.

2. В системе координат выделены три понятия: местная, геоцентрическая инерциальная (ECI) и геоцентрическая гринвичская (вращающаяся) прямоугольная система координат (ECEF).

3. В спутниковой радионавигации время играет исключительно важное значение, поскольку основные навигационные определения производятся по формулам, в которых параметр времени присутствует многократно. Это прежде всего время распространения электромагнитного сигнала от навигационного спутника до потребителя, время "включения" часов спутника, время синхронизации данных передаваемых со спутника, время прохождения электромагнитного сигнала через атмосферу, влияние на время релятивистских эффектов, совмещение шкал времени спутника и потребителя.

4. Движение можно оценивать и рассматривать как возмущенное, так и невозмущенное. Возмущенное движением - это когда движение спутника, на который помимо силы притяжения Земли, действуют другие возмущающие силы: притяжения Земли из-за не сферичности и различной плотности; влияния центра масс других планет; сопротивление окружающей среды и прочее. При невозмущенном движении навигационного спутника его траектория, называемая орбитой, описывается уравнением в полярной системе координат.

5. Навигационные спутники движутся по эллиптическим орбитам. Орбиту называют полярной при i = 90°; экваториальный при i = 0°; наклонной при 0 < i < 90°, где i - наклонение орбиты.

2. СИГНАЛ НКА СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

2.1 Определение интерфейса

Интерфейс между подсистемой космических аппаратов (ПКА) и навигационной аппаратурой потребителей (НАП) состоит из радиолиний L-диапазона частот (рис. 2.1). Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах (L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц).

Рисунок 2.1 Интерфейс НКА/НАП

В системе ГЛОНАСС используется частотное разделение навигационных радиосигналов НКА в обоих поддиапазонах L1 и L2. Каждый НКА передает навигационные радиосигналы на собственных частотах поддиапазонов L1 и L2. НКА, находящиеся в противоположных точках орбитальной плоскости (антиподные НКА), могут передавать навигационные радиосигналы на одинаковых частотах.

В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 НКА ГЛОНАСС передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности.

Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц предназначен для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями.

Сигнал высокой точности с тактовой частотой 5,11 МГц модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.

Сигнал стандартной точности является доступным для всех потребителей, которые оснащены соответствующей НАП и в зоне видимости которых находятся спутники системы ГЛОНАСС.

2.2 Структура навигационного радиосигнала

Навигационный радиосигнал, передаваемый каждым НКА системы ГЛОНАСС на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2, является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая манипуляция несущей осуществляется на n радиан с максимальной погрешностью не более ± 0,2 радиана.

Фаза несущего колебания поддиапазона L1 в НКА ГЛОНАСС и фазы несущих колебаний поддиапазонов L1 и L2 в НКА ГЛОНАСС-М модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного (ПС) дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр.

2.3 Описание интерфейса

Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов НКА ГЛОНАСС в частотных поддиапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями:

где К - номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НКА в частотных поддиапазонах L1 и L2, соответственно; для поддиапазона L1; для поддиапазона L2.

Распределение номеров К между НКА отображается в альманахе системы. Для каждого НКА рабочие частоты поддиапазонов L1 и L2 когерентны и формируются от общего стандарта частоты. Номинальное значение частоты этого стандарта, с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, равно 5,0 МГц. Для компенсации релятивистских эффектов частота, формируемая бортовым стандартом частоты, с точки зрения наблюдателя, находящегося на НКА, смещена относительно 5,0 МГц на относительную величину или Гц, то есть, равна 4,99999999782 МГц (величины даны для номинального значения высоты орбиты НКА, равного 19100 км). Отношение рабочих частот L1 и L2, излучаемых определенным НКА составляет:

Фактические значения несущих частот радиосигналов каждого НКА могут отличаться от номинальных значений на относительную величину, не превышающую .

На сегодняшнем этапе все, находящиеся в эксплуатации спутники ГЛОНАСС, используют номера частот К = (-7...+6).

Корреляционные потери. Корреляционные потери определяются разностью мощности, излучаемой передатчиком НКА в полосах

(1598,0625…1605,375) МГц ± 0,511 МГц,

(1242,9375…1248,625) МГц ± 0,511 МГц

и мощности, принятой идеальным корреляционным приемником в тех же полосах частот.

Корреляционные потери имеют наибольшее значение в случае, когда принимаемый радиосигнал имеет несущую частоту, соответствующую номерам К = -7 или К = 12. В этом случае корреляционные потери определяются не идеальностью модулятора передатчика НКА и составляют 0,6 дБ.

Для всех других литеров корреляционные потери, обусловленные искажением формы ПС сигнала, уменьшаются по мере удаления от краев полосы частот, занимаемой навигационными радиосигналами системы ГЛОНАСС.

Фазовые шумы несущей. Спектральная плотность фазовых шумов немодулированной несущей такова, что схема слежения, имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает точность слежения за фазой несущей частоты не хуже 0,1 радиан (среднеквадратическое значение).

Внеполосное излучение. Мощность, излучаемая каждым НКА за пределами полосы частот, отведенной для навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС, не превышает минус 40 дБ относительно мощности немодулированной несущей.

Внутрисистемные радиопомехи. Внутрисистемные радиопомехи определяются взаимокорреляционными свойствами используемого в составе навигационного радиосигнала дальномерного ПС кода с учетом частотного разделения сигналов. При приеме навигационного радиосигнала с литером частоты , помехи, создаваемые радиосигналом с номером частоты или , не превышают минус 48 дБ при условии одновременного нахождения НКА, излучающих эти сигналы, в зоне видимости.

Мощность радиосигналов, принимаемых потребителем. Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НКА ГЛОНАСС, на выходе приемной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ и при угле места 5° составляет не менее минус 161 дБВт для частот поддиапазона L1.

Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НКА ГЛОНАСС-М, на выходе приемной линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ и при угле места 5° составляет не менее минус 161 дБВт для частот поддиапазона L1 и не менее минус 167 дБВт для частотного поддиапазона L2 с последующим доведением до уровня не менее минус 161 дБВт.

Групповая задержка навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре НКА. Определяется как задержка между излучаемым радиосигналом и выходным сигналом бортового стандарта частоты. Групповая задержка навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре включает детерминированную и недетерминированную составляющие.

Детерминированная составляющая групповой задержки радиосигнала не важна потребителю, поскольку не влияет на определение системного времени. Максимальное значение недетерминированной составляющей групповой задержки навигационного радиосигнала в бортовой аппаратуре НКА ГЛОНАСС не превышает ±8 нс, для НКА ГЛОНАСС-М ± 2 нс.

Формирование навигационного сообщения. Информация навигационного сообщения, формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения. Во второй части каждой строки в течение 0,3 с передаётся двоичный код метки времени.

Двоичная последовательность информации навигационного сообщения образуется в результате сложения по модулю два двух двоичных последовательностей: последовательности символов цифровой информации навигационного сообщения в относительном коде с длительностью символов 20 мс; последовательности меандра с длительностью символов 10 мс.

Двоичный код метки времени представляет собой укороченную двоичную ПС последовательность длиной 30 символов с длительностью символов 10 мс, которая описывается образующим полиномом и имеет вид 111110001101110101000010010110.

Первый символ цифровой информации в каждой строке всегда "0". Он является "холостым" и дополняет укороченную ПСП МВ предыдущей строки до полной (не укороченной) ПС последовательности.

Рисунок 2.4 Упрощенная структурная схема формирования последовательности данных

Рисунок 2.5 Временные соотношения между синхроимпульсами модулирующего навигационного сигнала и дальномерным кодом ПСПД



Рисунок 2.6. Формирование последовательности данных в процессоре спутника

Время системы ГЛОНАСС. Все НКА ГЛОНАСС оснащены высокостабильными стандартами частоты, суточная нестабильность которых составляет для НКА ГЛОНАСС и для НКА ГЛОНАСС-М. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников ГЛОНАСС составляет 20 нс, а спутников ГЛОНАСС-М 8 нс.

Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет . Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) не должна превышать 1 мс. Погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) не должна превышать 1 мкс.

Шкалы времени каждого НКА ГЛОНАСС периодически сверяются со шкалой времени ЦС. Поправки к шкале времени каждого НКА относительно шкалы времени ЦС вычисляются в ПКУ ГЛОНАСС и дважды в сутки закладываются на борт каждого НКА.

Погрешность сверки шкалы времени НКА со шкалой времени ЦС не превышает 10 нс на момент проведения измерений.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы Координированного всемирного времени UTC. Коррекция шкалы UTC на величину ±1с проводится Международным Бюро Времени (BIH/BIPM) по рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS). Коррекция шкалы UTC производится, как правило, с периодичностью 1 раз в год (в полтора года) в конце одного из кварталов: в 00 часов 00 минут 00 секунд полночь с 31 декабря на 1 января - 1-й квартал (или с 31 марта на 1 апреля - 2-й квартал, с 30 июня на 1 июля - 3-й квартал, с 30 сентября на 1 октября - 4-й квартал) и осуществляется одновременно всеми пользователями, воспроизводящими или использующими шкалу UTC.

Предупреждение о моменте и величине коррекции UTC заблаговременно (не менее чем за три месяца) сообщается пользователям в соответствующих бюллетенях, извещениях и другими способами. Спутники ГЛОНАСС не содержат в навигационных сообщениях данных о коррекции UTC. В навигационном кадре спутника ГЛОНАСС-M предусмотрено заблаговременное уведомление потребителей о факте, величине и знаке секундной коррекции UTC.

При коррекции UTC, в соответствии с рекомендациями BIH/BIMP, проводится одновременная коррекция системного времени ГЛОНАСС путем соответствующего изменения оцифровки последовательности секундных импульсов бортовых часов всех спутников ГЛОНАСС. При этом метка времени строки навигационного кадра ГЛОНАСС (передаваемая каждые 2 секунды) изменяет свое положение (на непрерывной шкале времени) для синхронизации с двух секундной эпохой скорректированной шкалы UTC. Это изменение происходит в 00 часов 00 минут 00 секунд UTC.

В результате периодического проведения плановой секундной коррекции, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) не существует сдвига на целое число секунд. Однако, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) существует постоянный сдвиг на целое число часов, обусловленный особенностями функционирования ПКУ:

3 часа 00 минут.

Для вычисления эфемерид НКА на момент измерений навигационных параметров используются следующие соотношения для определения времени в шкале UTC(SU):

3 часа 00 минут,

где t - время излучения сигнала по бортовой шкале времени.

Спутники ГЛОНАСС-М передают коэффициенты B1 и B2 для перехода к шкале всемирного времени UT1 и поправку для перехода к шкале времени системы GPS NAVSTAR.

Точность определения поправки составляет не хуже 30 нс (среднеквадратическое значение).

Система координат. Передаваемые каждым НКА системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90. Которая определяется следующим образом: начало координат расположено в центре масс Земли; ось Z направлена на условный полюс Земли; ось X направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана; ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Геодезические координаты точки в системе координат ПЗ-90 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Геодезические константы, параметры общеземного эллипсоида ПЗ-90

Угловая скорость вращения Земли	7,292115x10-5 радиан/с
Геоцентрическая константа гравитационного поля Земли с учетом атмосферы	398 600,44x109 м3/с2
Геоцентрическая константа гравитационного поля атмосферы Земли ()	0.35x109 м3/с2
Скорость света	299 792 458 м/с
Большая полуось эллипсоида	6 378 136 м
Коэффициент сжатия эллипсоида	1/298,257839303
Гравитационное ускорение на экваторе Земли	978 032,8 мгал
Поправка к гравитационному ускорению на уровне моря, обусловленная влиянием атмосферы Земли	-0,9 мгал
Вторая зональная гармоника геопотенциала ( J20 )	1082625,7x10-9
Четвертая зональная гармоника геопотенциала ( J40 )	- 2370,9x10-9
Нормальный потенциал на поверхности общеземного эллипсоида (U0)	62636861,074 м2/с2

2.4 Выводы по главе 2

1. Каждый НКА системы ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы в двух частотных поддиапазонах L1 ~ 1,6 ГГц и L2 ~ 1,2 ГГц.

2. Информация навигационного сообщения, формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения. Во второй части каждой строки в течение 0,3 с. передаётся двоичный код метки времени.

3. В радиолиниях частотных поддиапазонов L1 и L2 передают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности и высокой точности для гражданских и военных потребителей соответственно.

4. Передаваемые каждым НКА системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90.

3. СТРУКТУРА НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ

3.1 Назначение навигационного сообщения

Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.

3.2 Содержание навигационного сообщения

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит: оцифровку меток времени НКА; сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения; эфемериды НКА и другие параметры.

Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя: данные о состоянии всех НКА системы; сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС; параметры орбит всех НКА системы; сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU) и другие параметры.

3.3 Структура навигационного сообщения

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации, закодированной по коду Хемминга и преобразованной в относительный код. Структурно поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров. Суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк ЦИ.

Структура суперкадра. На рис. 3.1 приведена структура суперкадра.

Рисунок 3.1 Структура суперкадра навигационного сообщения ГЛОНАСС

Суперкадр имеет длительность 2,5 минуты и состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с.

В пределах каждого суперкадра передается полный объем неоперативной информации (альманах) для всех 24 НКА системы ГЛОНАСС.

Структура кадра. Навигационный кадр является частью суперкадра. Каждый навигационный кадр имеет длительность 30 с и состоит из пятнадцати строк длительностью 2 с каждая. В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного НКА и часть неоперативной ЦИ. На рис. 3.2 и на рис. 3.3 показаны структуры кадров в суперкадре.

Рисунок 3.2 Структура навигационных кадров с 1-го по 4-й кадр суперкадра

Рисунок 3.3 Структура навигационных кадров, 5-й кадр суперкадра

Навигационные кадры с первого по четвертый идентичны. Заштрихованные области на рис. 3.3, изображающем навигационный кадр, представляют собой резерв, предусмотренный на случай изменений и дополнений в структуре навигационного сообщения.

В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся в строках с первой по четвертую, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная информация). Эта информация в пределах суперкадра не меняется.

Строки с шестой по пятнадцатую каждого кадра заняты неоперативной информацией (альманах) для 24-х спутников системы: по пяти спутникам в кадрах с первого по четвертый и по четырем спутникам в пятом кадре. Неоперативная информация (альманах) для одного спутника занимает две строки. Информация пятой строки в кадре относится к неоперативной информации и повторяется в каждом кадре суперкадра.

Альманах системы ГЛОНАСС, передаваемый в пределах суперкадра, распределяется по навигационным кадрам как показано в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Распределение альманаха системы ГЛОНАСС по кадрам суперкадра

Номер кадра в суперкадре	Номера НКА, для которых в данном кадре передается альманах
1	1 - 5
2	6 - 10
3	11 - 15
4	16 - 20
5	21 - 24

Структура информационной строки в кадре. Информационная строка является структурным элементом навигационного кадра. Структура информационной строки показана на рис. 3.4. Каждая строка содержит двоичные символы ЦИ и метку времени. Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает МВ в виде укороченной ПС последовательности ПСПМВ, состоящей из 30 символов длительностью 10 мс. Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц, сложенная по модулю два с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный код). Таким образом, каждая строка содержит 85 двоичных символов ЦИ. Нумерация позиций символов в строке осуществляется справа налево. Наряду с информационными символами (позиции 84-9) в каждой строке ЦИ передаются 8 проверочных символов (позиции 1-8) кода Хемминга (КХ), позволяющие производить проверку достоверности символов ЦИ в строке. Код Хемминга имеет кодовое расстояние равное четырем. Разделение строк ЦИ осуществляется с помощью меток времени (МВ). Слова ЦИ записываются старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В каждой строке последний символ (85 позиция) является "холостым", он необходим для реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. В качестве "холостого" символа принят "0".

Рисунок 3.4 Структура информационной строки

3.4 Оперативная информация навигационного сообщения и эфемериды НКА

Количество разрядов, цена младшего разряда, диапазон значений и единицы измерения параметров эфемерид приведены в табл. 3.5. В словах, числовые значения которых могут принимать положительные и отрицательные значения, старший разряд является знаковым, символ "0" соответствует знаку "плюс", а символ "1" - знаку "минус".

Параметры эфемерид НКА периодически определяются подсистемой контроля и управления и закладываются на все спутники системы.

Среднеквадратические значения погрешностей передаваемых местоположения и скорости спутников в орбитальной системе координат при суточном прогнозе приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Погрешности передаваемых координат и скорости НКА

Составляющая погрешности	СКО погрешность определения
	Местоположения (м)	Скорости (см/с)
НКА	ГЛОНАСС	ГЛОНАСС-М	ГЛОНАСС	ГЛОНАСС-М
Вдоль орбиты	20	7	0,05	0,03
По бинормали к орбите	10	7	0,1	0,03
По радиус-вектору	5	1,5	0,3	0,2

Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов оперативной информации навигационного сообщения представлены в табл. 3.4.

Слово m - номер строки в навигационном кадре. Слово t_k - время начала кадра внутри текущих суток, исчисляемое в шкале бортового времени. В 5 старших разрядах записывается количество целых часов, прошедших с начала текущих суток. В 6 средних разрядах записывается количество целых минут, а в младшем разряде - количество 30 секундных интервалов, прошедших с начала текущей минуты. Начало суток по бортовому времени спутника совпадает с началом очередного суперкадра. Слово В_n - признак недостоверности кадра n-го НКА. Аппаратурой потребителя анализируется только старший разряд этого слова, "1" в котором обозначает факт непригодности данного спутника для проведения сеансов измерений. Второй и третий разряды этого слова аппаратурой потребителя не анализируются. Слово t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация. Длительность данного временного интервала и, следовательно, максимальное значение слова t_b определяются значением слова Р1. Слово Р - признак режима работы НКА по ЧВИ. Значения признака следующие: 00 - ретрансляция параметра , ретрансляция параметра ; 01 - ретрансляция параметра , размножение параметра на борту НКА; 10 - размножение параметра на борту НКА, ретрансляция параметра ; 11 - размножение параметра на борту НКА, размножение параметра на борту НКА. Слово Р1 - признак смены оперативной информации; признак сообщает величину интервала времени между значениями t_b (минута) в данном и предыдущем кадрах. Слово Р2 - признак нечетности ("1") или четности ("0") числового значения слова t_b (для интервалов 30 или 60 минут). Слово Р3 - признак, состояние "1" которого означает, что в данном кадре передается альманах для 5-ти спутников системы, а состояние "0" означает, что в данном кадре передается альманах для 4-х спутников. Слово Р4 - признак того, что на текущем интервале времени t_b средствами ПКУ на НКА заложена (1) или не заложена (0) обновленная эфемеридная или частотно-временная информация. Слово N_T - текущая дата, календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с 1-го января високосного года. Слово n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал и соответствующий его рабочей точке внутри орбитальной группировки ГЛОНАСС. Слово F_T - фактор точности измерений, характеризующий в виде эквивалентной ошибки прогнозируемую ошибку измерения псевдодальности, обусловленную набором данных (эфемеридная и частотно-временная информация), излучаемых в навигационном сообщении на момент времени t_b. Слово - смещение излучаемого навигационного радиосигнала поддиапазона L1 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L2 для n-го НКА.

,

где , - аппаратурные задержки в соответствующих поддиапазонах, выраженные в единицах времени. Слово М - модификация НКА, излучающего данный навигационный сигнал. Значение "00" означает НКА ГЛОНАСС, "01" - НКА ГЛОНАСС-М

Таблица 3.3 Значения слова F_T

Значение слова FT	Точность измерений , м
0	1
1	2
2	2,5
3	4
4	5
5	7
6	10
7	12
8	14
9	16
0	32
10	64
11	128
12	256
13	512

Слово - относительное отклонение прогнозируемого значения несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника от номинального значения на момент времени t_b:

,

где - прогнозируемое значение несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b; - номинальное значение несущей частоты навигационного радиосигнала n-го спутника.

Слово - сдвиг шкалы времени n-го спутника t_n относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС t_с, равный смещению по фазе ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника относительно системного опорного сигнала на момент времени t_b, выраженный в единицах времени

.

Слово l_n - признак недостоверности кадра n-го НКА; l_n = 0 свидетельствует о пригодности спутника для навигации; l_n = 1 означает факт непригодности данного спутника для навигации.

Таблица 3.4 Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов оперативной информации навигационного сообщения

Слово	Число разрядов	Цена младшего разряда	Диапазон значений	Единица измерения
m	4	1	0...15	безразмерная
tk	5	1	0...23	час
	6	1	0...59	мин
	1	30	0…30	с
tb	7	15	15...1425	минута
M	2	1	0-3	безразмерная
	11	2-40	±2-30	безразмерная
	22	2-30	±2-9	с
	27	2-11	±2,7?104	км
	24	2-20	±4,3	км/с
	5	2-30	±6,2?10-9	км/с2
Bn	3	1	0…7	безразмерная
P	2	1	00,01,10,11	безразмерная
NT	11	1	0…2048	сутки
FT	4
n	5	1	0…31	безразмерная
Дфn	5	2-30	±13,97?10-9	с
En	5	1	0...31	сутки
P1	2
P2	1	1	0;1	безразмерная
P3	1	1	0;1	безразмерная
P4	1	1	0;1	безразмерная
ln	1	1	0;1	безразмерная

Размещение слов оперативной информации навигационного сообщения в кадре представлено в табл. 3.5.

Таблица 3.5 Размещение слов оперативной информации навигационного сообщения в кадре

Слово	Количество разрядов	Номер строки в кадре	Номера разрядов в строке
m	4	1...15	81 - 84
tk	12	1	65 - 76
tb	7	2	70 - 76
M	2	4	9 - 10
	11	3	69 - 79
	22	4	59 - 80
	27	1	9 - 35
	27	2	9 - 35
	27	3	9 - 35
	24	1	41 - 64
	24	2	41 - 64
	24	3	41 - 64
	5	1	36 - 40
	5	2	36 - 40
	5	3	36 - 40
P	2	3	66 - 67
NT	11	4	16 - 26
n	5	4	11 - 15
FT	4	4	30 - 33
En	5	4	49 - 53
Bn	3	2	78 - 80
P1	2	1	77 - 78
P2	1	2	77
P3	1	3	80
P4	1	4	34
Дфn	5	4	54 - 58
ln	1	3,5,7,9,11,13,15	65(3-я строка), 9(5,7,9,11,13,15строки)

Слова , , - координаты n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b. Слова , , - составляющие вектора скорости n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b. Слова , , - составляющие ускорения n-го НКА в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b, обусловленные действием Луны и Солнца. Слово E_n - характеризует "возраст" оперативной информации, то есть интервал времени, прошедший от момента расчета (закладки) оперативной информации до момента времени t_b для n-го спутника. Слово E_n формируется на борту НКА.

3.5 Неоперативная информация навигационного сообщения, альманах системы ГЛОНАСС

Неоперативная информация (альманах) включает в себя: данные о шкале времени системы; данные о шкале времени каждого спутника; данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спутников системы.

Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов неоперативной информации навигационного сообщения представлены в табл. 3.9.