Динамо-машины  Радионавигационные системы, спутниковая радионавигация 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [ 11 ] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

где С7С6С5С4С3С2С1 - двоичное число, сформированное из контрольных сумм Ci,...,Ct (все двоичные числа записаны младшими разрядами вправо); к - порядковый номер старшей из отличных от нуля контрольных сумм.

При (кор lt;85 делается вывод о наличии ошибки в символе fc,Kop и символ 6,кор исправляется на противоположный; при кор gt;85 фиксируется факт наличия нечетного числа ошибок и строка не исправляется, а бракуется;

в) если хотя бы одна из контрольных сумм (Ci,...,C7) равна единице, а Cv =0 либо все суммы Ci,...,C7 равны нулю, но Cv = 1, то фиксируется факт наличия кратных ошибок и строка бракуется.

В информационном потоке строки ЦИ разделяются метками времени. Слова ЦИ записываются старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В каждой строке последний разряд (85-я позиция) необходим для реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. Он является laquo;холостым raquo; и обозначается символом laquo;О raquo;. Этот же символ дополняет укороченную ПСП метки времени предыдущей строки до полной (неукороченной) ПС последовательности.

Границы строк кадров и суперкадров различных спутников системы синхронны между собой с погрешностью не более plusmn;2 мс.

Смысловое содержание и структура суперкадра приводятся в гл. 10. В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся в строках 1-4, относится к спутнику, с которого она поступает (так называемая оперативная информация). Она не меняется в пределах суперкадра. Строка 5 - общесистемные параметры. Строки с б по 15 заняты неоперативной информацией для 24 спутников системы: по пять спутников в кадрах 1-4 и по четыре спутника в кадре 5. Информация об одном спутнике занимает две строки.

Таким образом, в пределах суперкадра передается неоперативная информация о всех спутниках системы (альманах системы).

В кадре имеется резерв, предусмотренный на случай изменений и дополнений в структуре навигационного сообщения.

Сравнение способов разделения излучений в системах laquo;Глонасс raquo; и laquo;Навстар raquo; (175, 188. Интересно отметить, что использование частотного разделения в системе laquo;Глонасс raquo; не только затрудняет радиопротиводействие системе [175], но предоставляет ббльшую свободу в выборе широкополосного кода. В этом случае взаимокорреляционные свойства кода не являются такой важной характеристикой, как при кодовом разделении, хотя автокорреляционные свойства должны быть по-прежнему достаточно хорошими для предотвращения ложного обнаружения сигналов. Вместе с тем использование разных

передающих частот увеличивает аппаратурную сложность многоканального приемника; аппаратурная сложность же одноканаль-ного последовательного приемника увеличивается незначительно.

Сигнал системы laquo;Навсат raquo; (194]. Проект системы laquo;Навсат raquo; разрабатывался Европейским космическим агентством ESA. Система предназначена для пассивного определения координат п скорости их изменения только гражданскими потребителями по рабочему созвездию, содержащему не менее четырех НИСЗ. Баллистическая структура сети НИСЗ аналогична первоначально планируемой в системе laquo;Навстар raquo; и включает 24 спутника на трех круговых Орбитах с наклонением 55 deg; и периодом обращения 12 ч.

Для гражданской системы laquo;Навсат raquo; несущественно требование обеспечения работоспособности в условиях радиопротиводействия противника. Поэтому были предложены более простой, чем в системе laquo;Навстар raquo;, навигационный сигнал и другой способ формирования навигационного сигнала, снижающие стоимость аппаратуры потребителей и упрощающие бортовую аппаратуру спутников.

Измеряемыми РНП, как и в системе laquo;Навстар raquo;, являются задержка и доплеровское смещение частоты принимаемых радионавигационных сигналов относительно опорного. Предполагается, что доплеровские измерения могут быть использованы не только для пассивной навигации, но и для поиска и спасения терпящих бедствие подвижных объектов.

Разделение излучений различных НИСЗ системы - временное. Цикл излучения радионавигационных сигналов всеми спутниками системы Г = 2,75 с разбит на 12 временных окон длительностью 212,2 мс, отделенных одно от другого защитными интервалами в 17 мс. Защитные интервалы выбраны из условия предотвращения наложения на fl сигналов от двух соседних НИСЗ, В одном и том же временном окне излучают сигналы одновременно два спутника, раглоложенные диаметрально противоположно иа одной орбите, что исключает их наложение в точке приема.

Сигнал, излучаемый каждым НИСЗ системы laquo;Навсат raquo;, состоит из трех компонент, следующих поочередно: немодулированной несущей частоты /i~1574 МГц в течение 3,2 мс для облегчения частотного поиска и захвата сигналов НИСЗ; несущей частоты, фазоманипулированной ПСП с частотой следования элементов 102,4 кГц в течение 20 мс, предназначенной для грубой оценки времени прихода сигнала (грубый код); несущей частоты, фазоманипулированной ПСП с частотой следования элементов 10,23 МГц для точного измерения псевдодальности (точный код) и приема информации, излучаемой в течение 189 мс. Грубый и точный коды одинаковы для всех НИСЗ системы. Временная диаграмма использования высокоточной компоненты сигнала следующая; 100 мс предназначены для поиска точного кода, 13,25 мс - для захвата фазы несущей и 75,75 мс - для приема информации и обеспечения режима слежения за точным кодом.

В системе laquo;Навсат raquo; навигационные сигналы формируются не на борту НИСЗ, как в системе laquo;Навстар raquo;, а на региональном наземном центре управления, в зоне действия которого в данный момент находится НИСЗ. Это приводит к упрощению бортовой аппаратуры НИСЗ, а также к затруднению несанкционированного использования системы. Сигналы, сформированные на наземном центре, будут переизлучаться спутником-ретранслятором. При ретрансляции происходит преобразование частоты навигационных сигналов. Нестабильность бортового генератора НИСЗ расширяет диапазон частотного поиска сигналов на П и увеличивает среднеквадратические погрешности (СКП) измерения псевдодальности и псевдоскорости. Для ослабления влияния нестабильности частоты бортового генератора в кадр передаваемой со спутника информации включаются параметры коррекции генератора.

Ионосферная погрешность измерения РНП будет компенсироваться алгоритмически с использованием информации, передаваемой в кадре навигационного сигнала; излучение второй частоты в системе не предусмотрено.

Информационное сообщение помимо ионосферных поправок (64 бит) и поправок к частоте генератора (14 бит) содержит эфемериды (376 бит), слово начала цикла (42 бит), маркер сообщения (8 бит), идентификатор НИСЗ (5 бит), техническое состояние НИСЗ (8 бит) и резерв (181 бит), всего 700 бит информации. Резерв предусмотрен для дополнительных команд и для использования кодов, исправляющих ошибки в сообщениях.

Энергетические характеристики и ожидаемая точность. Излучаемая мощность передатчика НИСЗ Я= 100 Вт, коэффициент усиления передающей антенны 11,5 дБ; мощность сигнала, принимаемого на П, при нулевом усилении приемной антенны и шумах приемника -199 дБВт/Гц составляет -176 дБВт. Ожидаемые СКП измерения псевдодальности и скорости ее изменения составляют 2 м и 0,727 м/с соответственно. Ожидаемая СКП место-определения 10 м.

Дальнейшее совершенствование сигналов системы laquo;Навсат raquo; связано с изменением концепции построения гражданской навигационной системы, вызванным заменой требования глобальности системы более гибким требованием обеспечения на начальном этапе создания системы ее региональности (при ограниченном объеме аппаратуры) и возможности наращивания ее до глобальной на заключительном этапе. Улучшенный таким образом вариант системы laquo;Навсат raquo; будет базироваться иа другой баллистической структуре. Сеть НИСЗ предложено создавать на основе 6 геостационарных НИСЗ и 12 НИСЗ, расположенных на шести двенадцатичасовых высокоэллиптических орбитах с наклонением 64 deg;. Вследствие изменения сети НИСЗ изменен и формат навигационных сигналов: период излучения сигналов всеми спутниками системы разбивается теперь на 9 временных окон, каждое из которых отводится соответствующей паре спутников; увеличены защитные интервалы до 105 мс; уточнены длительности каждой из трех компонент сигнала и объем передаваемой информации. Принцип построения сигнала остается прежним.

4.5. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ В АКТИВНЫХ ВАРИАНТАХ СРНС

Основные требования, предъявляемые к сигналам как пассивных, так и активных СРНС, перечислены в sect; 4.1, но к сигналам активных СРНС предъявляется ряд дополнительных требований, обусловленных особенностями построения активных систем. В отличие от пассивных СРНС, обладающих неограниченной пропускной способностью (под пропускной способностью здесь понимается число П, обслуживаемых системой в единицу времени), пропускная способность активных систем ограничена и существенно различна для двух вариантов их построения: с регулярным доступом к ретранслятору НИСЗ или со случайным (см. рис. 1.2).

На пропускную способность активных систем с регулярным доступом к ретранслятору НИСЗ влияют следующие факторы: пропускные способности запросного и навигационного (П - НИСЗ-НЦН) радиоканалов; скорость обработки данных в НЦН; пропускная способность канала передачи данных потребителю.

Результирующая пропускная способность системы ограничивается пропускной способностью наименее производительного

ее участка. Обычно таким участком является навигационный радиоканал, пропускная способность которого невелика (единицы потребителей в секунду), так как она существенно зависит от навигационного сигнала, выбираемого с учетом дополнительных требований к тактическому использованию радиоканала.

Пропускная способность активных систем со случайным доступом к ретранслятору ИСЗ ограничивается в основном взаимными помехами между сигналами различных объектов. Пример такой системы и ее анализ будет приведен в sect; 6.4.

Таким образом, к сигналам активных (IIPHC предъявляется дополнительное требование - обеспечение возможности реализации высокой пропускной способности системы. Другим важным требованием, характерным для активной системы, является обеспечение возможности совмещения активной радиолинии со связной или с радиолинией пассивной СРНС.

Наличие ретранслятора в радиоканале активной СРНС, соединяющего две радиолинии: П - ИСЗ и ИСЗ-НЦН, также влияет на выбор сигналов, в частности, на способ разделения сигналов различных П.

Следует отметить, что требование разделимости сигналов от различных излучающих объектов предъявляется как к сигналам пассивных сетевых СРНС, так и к сигналам П активных систем, однако число разделяемых П существенно отличается, поэтому и конкретные решения в активных и пассивных системах также различны.

Подробно вопросы разделения излучений в пассивных и активных СРНС рассматриваются в гл. 6. В sect; 6.4 на примерах конкретных вариантов активных СРНС проводится анализ требований, предъявляемых к сигналам активных СРНС.

ГЛАВА 5

ЭНЕРГЕТИКА НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОЛИНИЙ

5.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НАВИГАЦИОННЫМ РАДИОЛИНИЯМ

Навигационная радиолиния (НРЛ) предназначена для передачи навигационных сигналов от передающей станции к пункту приема. В зависимости от того, пассивна или активна она (см. sect; 1.3), рассматривается радиолиния пассивной системы или радиолиния с ретрансляцией радионавигационных сигналов.

В гл. 4 показано, что для обеспечения современных требований к СРНС сигнал должен иметь сложную структуру, позволяющую удовлетворить ряду противоречивых требований. Поэтому к навигационным радиолиниям СРНС предъявляются повышенные требования, основными из которых являются обеспечение

в месте приема высокого энергетического потенциала и минимум искажения фазовых соотношений навигационного радиосигнала.

Методы реализации первого из указанных требований в СРНС и в линиях космической радиосвязи существенно различаются. Если в линиях радиосвязи для повышения энергетического потенциала применяются остронаправленные антенны, то в СРНС такие антенны неприемлемы, так как при фиксированном числе НИСЗ это привело бы к значительному уменьшению рабочей зоны системы. Особенностью является также и то, что радионавигационное поле СРНС должно охватывать все околоземное пространство для обслуживания и высотных потребителей (П), в связи с чем углы раскрыва антенн НИСЗ и П должны быть еще больше и, следовательно, энергетический потенциал радиолинии будет еще ниже.

Второе из требований, предъявляемых к НРЛ СРНС,- сохранение фазовых соотношений в радионавигационном сигнале - специфично для РНС, поскольку навигационная информация как дальномерная, так и эфемеридная содержится в фазе принимаемого сигнала. Поэтому для выполнения требований к НРЛ при их проектировании должны учитываться более тонкие физические эффекты.

В связи с этим при рассмотрении энергетики навигационных радиолиний основное внимание уделим таким вопросам, как исключение рефракционных ошибок, распределение мощности между каналами измерения дальности и скорости на различных частотах при двухчастотном способе измерения, энергетические расчеты для высотных П и выбор углов раскрыва антенн П и НИСЗ.

5.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЯМОЙ И РЕТРАНСЛЯЦИОННОЙ РАДИОЛИНИЙ СРНС

Навигационная радиолиния (НРЛ) пассивной СРНС. Пропускная способность такой радиолинии (см. рис. 4.1), оцениваемая, как и ранее (см. sect; 1.3), числом одновременно определяющихся П, не ограничена.

Передающая и приемная антенны, характеризуемые коэффициентами усиления мощности G ep и Спр по отношению к изотропному излучателю, соединены с передатчиком и приемником фидерами, имеющими коэффициенты передачи мощности rine-p

и Лпр-

Передатчик НИСЗ характеризуется эффективной мощностью Рпер на частоте /. Мощность, излучаемая передающей антенной в

заданном направлении, Р зл = РперТ1перСпер.

Трасса распространения характеризуется суммарным ослаблением энергии радиосигналов между передающей и приемной антеннами: Lj; =Аодоп, где Lo - ослабление радиосигналов в

свободном пространстве; 1,доп - дополнительные потери, обусловленные затуханием сигналов в атмосфере Земли и другими возмущающими факторами.

Мощность сигнала на входе приемника

Рф - Риъя Ппр Спр Lz - О-Рпср,

(5.1)

где а= СперСпрТ)перТ1прГ имеет смысл коэффициента передачи радиолинии.

Если задается минимальное отношение сигнал-шум на входе приемника двх = Рс/Рш, а определяется необходимая мощность Рпр, то в (5.1) необходимо заменить ее значением Рпр = (/вхРш вх, где Р,и вх - мощность шума, приведенного к входу приемника, и преобразовать (5.1) к виду

Риер - а (/вхРц

(5.2)

Формулы (5.1) и (5.2) являются исходными при проектировании радиолиний СРНС [56, 54, 109]. Количественные оценки составляющих суммарного затухания и мощности шума Рш вх даны в sect; 5.3.

Навигационная радиолиния активной системы. Предназначена для передачи навигационных сигналов, излучаемых П, через ретранслятор спутника на НЦН, где производится определение координат П.

Анализ активных НРЛ имеет особенности, обусловленные сравнительно низким энергетическим потенциалом НРЛ, что требует учитывать тонкие эффекты (такие, как случайность фаз переизлучаемых сигналов), а также когерентность ретрансляции. Навигационная радиолиния активной системы состоит из двух участков, связанных ретранслятором НИСЗ: П - НИСЗ и НИСЗ - НЦН. Ретранслятор выполняет функции усилителя мощности приходящих сигналов и когерентного их переизлучателя в сторону НЦН. Суммарная мощность ретранслятора всегда ограничена, поэтому ограничена и пропускная способность НРЛ активной системы.

Радиолиния активной системы со случайным доступом к ретранслятору НИСЗ многоканальна, причем число каналов соответствует числу П. Один канал ретрансляционной НРЛ, соответствующий i-му П, показан на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Модель одного канала ретрансляционной радиолинии