книги / Физические основы получения информации

Пусть в точке приема (рис. 7.4) вычисляют интеграл

Veto (О d' = 7 - V « (/) d/ = Н '2 ) - Д О ] .

где /2 - / , = А / - фиксированный интервал времени; Кс6л(/) - радиальная скорость ИСЗ относительно потребителя (скорость сближения).

Отсюда следует, что Д Z), = D(t1) - D ( t]) (рис. 7.5) можно использовать как разность расстояний от двух радионавигаци­ онных точек и определять местоположение потребителя по ги­ перболическому методу.

Рис. 7.4. Движение спутника относительно потребителя

131

Таким образом, вычисление интеграла от доплеровской частоты в пределах tx- t 2 фиксирует разность дальностей до ИСЗ в последовательные моменты времени /,,/2, т.е. дает зна­

чение навигационного параметра в разностно-дальномерной РНС с опорными станциями, координаты которых определяются положением ИСЗ в эти моменты времени. Полученное значе­ ние Д Z), соответствует поверхности положения в виде гипербо­ лоида.

Произведя интегрирование Fn (t) в течение интервала времени /2 - / 3 и пересчитав полученный результате разность расстояний, получим вторую поверхность положения.

Положение наблюдателя характеризуется точкой пересе­ чения этих гиперболоидов с земной поверхностью. Возникаю­ щая при этом неоднозначность решения навигационной задачи (точка пересечения поверхностей положения не является един­ ственной) устраняется, как и в наземных РНС, с помощью апри­ орных данных о координатах потребителя.

Эфемеридную информацию в форме параметров орбиты ИСЗ либо его геоцентрических координат передают с борта ИСЗ с помощью модуляции (фазовой или частотной) непрерывной несущей.

Вкачестве такой низкоорбитальной СРНС используется американская система «Transit» (транзит спутника - пролет над потребителем).

Вее состав входят пять или шесть ИСЗ, наземный ком­ плекс контроля и парк бортовой аппаратуры потребителей. ИСЗ расположены на круговых полярных орбитах высотой около 1100 км и имеют период обращения около 107 мин. При таких параметрах орбит каждый ИСЗ может находиться в зоне радио­ видимости потребителя, радиус которой достигает 2000 км, от 10 до 16 мин. Учитывая, что период передачи навигационной ин­ формации (эфемеридная информация, метки времени, служебная информация) равен 2 мин, а время нахождения в зоне радиови­ димости 10-16 мин, за один пролет ИСЗ можно получить не­ сколько поверхностей положения. Избыточное число образован­ ных поверхностей положения может быть использовано для ста­ тистического сглаживания полученных оценок координат.

132

К недостаткам рассмотренных СРНС относится невоз­ можность непрерывно определять местонахождение потребите­ лей из-за длительных перерывов между обсервациями (прохож­ дениями спутниками зоны радиовидимости). Средний интервал времени между обсервациями зависит от географической широ­ ты потребителя и колеблется от 35 мин в приполярных районах до 90 мин вблизи экватора. Уменьшение этого интервала путем увеличения числа спутников в данных системах невозможно, так как все ИСЗ излучают сигналы на одних и тех же частотах. При нахождении в зоне радиовидимости нескольких спутников возникают взаимные помехи, что нарушает работоспособность систем.

Таким образом, существующие низкоорбитальные СРНС, обладая малой точностью определения координат высокодина­ мичных объектов, имеют большой интервал времени между об­ сервациями. В связи с этим в настоящее время они используют­ ся для навигации малоскоростных объектов типа судов или на­ земных средств.

7.2. СРНС местоопределения и сопровождения

В настоящее время для осуществления дальней радио­ связи широкое распрост­ ранение получили геостацио­ нарные спутники, работающие в режиме ретрансляторов. Это позволило использовать их и как неподвижные опорные ра­ дионавигационные точки для измерения координат подвиж­ ных объектов.

Схема построения сис­ темы местоопределения и ра­ диосопровождения с двумя геостационарными спутника­ ми связи (ГСС) представлена

Геостацио„арНая

г с с

Рис. 7.6. Схема системы место­ определения

133

на рис. 7.6. Примером таких систем могут служить системы «EUTELTRACS» (EGA) и «GEOSTAR» (США).

ГСС, и ГСС2 не являются составной частью системы ме-

стоопределения, они играют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора ин­ формации и аппаратурой подвижного объекта.

При этом ГСС| обеспечивает ретрансляцию сигналов от

наземной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС2 - только от подвижного объекта к наземной станции.

Координаты подвижного объекта вычисляются на назем­ ной станции по ответным сигналам, полученным с задержкой по времени, зависящей от расстояний между этим объектом и спутниками. Для определения местоположения мобильного объ­ екта наземная станция через спутник-ретранслятор подает зако­ дированный опознавательный сигнал. Получив свой вызовной сигнал, объект подтверждает факт его приема на ответной час­ тоте. Растояния определяются на наземной станции по времен­ ной задержке между опросным сигналом от наземной станции и ответными сигналами от мобильного объекта, принимаемыми через ретрансляторы ГСС, и ГСС2.

Полученные на наземной станции координаты подвижно­ го объекта могут быть переданы ему по каналу связи через эти же геоспутники.

Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземной станции устанавливать связь с интере­ сующим ее абонентом. В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме. Активиза­ ция (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по за­

просу от наземной станции.
Наземная станция и центр сбора информации могут		быть
совмещены	или соединены между собой отдельным	кана­
лом связи.
Для определения местоположения (координат х, у, z) под­
вижного объекта производится измерение дальностей		D ,,D 2
(рис. 7.7) до	геостационарных спутников ГСС, и ГСС^. Каж­

дой из измеренных дальностей соответствует сферическая по­

134

Рис. 7.7. Линии положения подвижного объекта

верхность положения с цен­ тром в точке расположения соответствующего навигаци­ онного спутника в момент измерения.

Пересечение двух сфе­ рических поверхностей дает линию положения объекта в виде окружности.

Геоцентрическая высота поверхности Земли позволяет получить третью поверхность положения, которая, пересека­ ясь с ранее полученной лини­ ей положения, дает искомое положение объекта.

Навигационные уравнения системы имеют вид

2( А + А ) = сД/j,

(А + А + -А А ) “

•

Отсюда получим значения дальностей:

А= — - А»

А= cAt2 - А ~ А ~ А -

Решая задачу в прямоугольной геоцентрической системе координат, выразим полученные значения дальностей через ко­ ординаты спутников и объекта:

(*гсс, “ ■*)	+ (Д'гсс, У) + 2	= А
(■^гссг	(Угсс2 ~ У)	= А

Добавляя к этим уравнениям уравнение для геоцентриче­ ской высоты объекта:

x2 + y 2 + z 2 = R \

получим систему трех линейных алгебраических уравнений от­ носительно трех неизвестных параметров положения:

135

^гсс,* + >Усс,.У - 0,5 (*Гсс, + ^ rcci + R А )»

хгсс7х + Угсс2У ~ 0^5 (*гсс2 + Угсс7 + ^ ” А* ) »

Z - ± 4 ¥

7.3. Состав радионавигационных систем второго поколения

Спутниковыми радионавигационными системами назы­ ваются системы, радионавигационные точки которых распола­ гаются на навигационных искусственных спутниках Земли.

Навигационные ИСЗ обращаются вокруг Земли на высо­ тах от 600 до 36 000 км. Благодаря большой высоте полета спут­ ника увеличивается расстояние прямой видимости до пользова­ телей. Это позволяет потребителям, находящимся на расстояни­ ях в тысячи километров от точек, над которыми пролетают спутники, на радиоволнах метрового, дециметрового и санти­ метрового диапазонов принимать их сигналы и определять их местоположение.

Для достижения непрерывности и точности определения навигационных параметров - координат местоположения под­ вижных объектов современные СРНС (GPS - Global Positioning Sistem) (рис. 7.8) используют три основные подсистемы:

Рис. 7.8. Схема СРНС

136

- космический сегмент, включающий в себя сеть навига­ ционных спутников;

- наземный сегмент управления - командно-измеритель­ но-вычислительный комплекс (КИК);

- бортовую навигационную аппаратуру потребителей: са­ молетов, морских судов и наземных средств передвижения.

Кроме того, в СРНС входят служба времени и средства дальней радиосвязи.

7.3.1. Космический сегмент

Структура космического сегмента позволяет обеспечивать для каждого потребителя постоянную видимость необходимого количества ИСЗ.

Основные функции навигационных спутников - формиро­ вание и излучение радиосигналов для потребителей СРНС.

Всостав аппаратуры НС (рис. 7.9) входят:

-радиотехническое оборудование (передатчик навигаци­ онных сигналов и телеметрической информации, приемник дан­ ных и команд от командно-измерительного комплекса (КИК), антенны, блоки ориентации);

-Э В М ;

-бортовые эталоны времени и частоты;

-солнечные батареи и т.д.

Рис. 7.9. Блок-схема аппаратуры НС (прм/прд - прием/передача)

137

Аппаратура НС состоит из приемопередающего устройст­ ва радиоканала обмена информацией с контрольными наземны­ ми станциями, радиопередатчика и канала передачи сигналов потребителям, приборов стабилизации положения спутника в пространстве, блока управления, запоминающего и вычисли­ тельного устройств.

Навигационные сигналы, передаваемые потребителям, со­ держат координаты (эфемериды) спутника: хнс, у нс, zHC, со­ ставляющие его скоростей хнс, унс, zHC, время t и др.

Основная часть этих спутниковых сообщений готовится на наземном КИК и передается по радиолинии на борт спутни­ ка, и только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.

Спутник циклически (по запросу или непрерывно) переда­ ет сигналы, которые содержат сведения о его орбите и метки времени,

7.3.2. Наземный командно-измерительный комплекс

КИК обеспечивает наблюдение и контроль за движением НС, качеством функционирования их аппаратуры. Он состоит:

-из станций траекторных измерений (станций слеже­ ния - СС);

-корректирующей станции (КС) для передачи информа­ ции на НС;

-координатно-вычислительного центра (КВЦ);

-системы эталонов времени и частоты.

Наземные радиолокационные станции периодически при полете НС в зоне их видимости измеряют пространственные ко­ ординаты спутника. По полученным данным на КВЦ рассчиты­ вают спутниковую орбиту и предвычисляют (прогнозируют) по­ следовательные местоположения спутника на орбите. Расчет выполняют через отдельные интервалы времени, например че­ рез минуту, на сутки вперед. Затем будущие пространственные координаты спутника (эфемериды) вместе с соответствующими им отсчетами времени корректирующая станция передает по радиосвязи на спутник, и там они вводятся в бортовое запоми­

138

нающее устройство. Теперь спутник может служить навигаци­ онным радиомаяком.

Равномерно, раз в минуту (или в две минуты), он излучает радиосигнал: отсчет времени и свои координаты на этот момент. Сигнал, принимаемый ЛА, поступает в вычислительную машину.

Передача эфемерид и другой информации на спутник осуществляется дважды в сутки. Переключает бортовое обору­ дование спутника на прием сигналов наземной станции пере­ ключатель «прием/передача» по программе.

Для точного отсчета времени используется приемник сиг­ налов точного времени.

7.3.3. Н авигационная аппаратура потребителей услуг СРНС

Основными задачами, решаемыми аппаратурой потреби­ теля, являются:

-выбор рабочего созвездия навигационных искусствен­ ных спутников Земли (НИСЗ);

-поиск и опознавание навигационных сигналов ИСЗ;

-измерение времени запаздывания и доплеровского сдви­ га частоты;

-решение навигационной задачи (определение координат

исоставляющих вектора скорости потребителя).

Самолетное бортовое оборудование СРНС состоит из сле­ дующих основных блоков: антенного управляемого блока; при­ емного устройства; вычислительного блока.

Антенна в простейшем варианте имеет фиксированную диаграмму направленности и представляет собой коническую спираль с встроенным антенным усилителем. Такого типа ан­ тенны установлены на вертолетах и в некоторых случаях на са­ молетах.

Антенны с изменяющимся положением ДН строятся на основе фазированных решеток с управляющим фазовращателем. Такие антенны устанавливаются в верхней части фюзеляжа са­ молета.

Фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из боль­ шого числа синфазных вибраторов и имеет узкую диаграмму направленности. Каждый вибратор с рефлектором представляет

139

собой систему, ДН которой имеет лепестковый характер. Это свойство и используется в антеннах типа плоской синфазной решетки. Эту решетку можно сделать управляемой, если в кон­ струкцию решетки - в ее соединительную линию возбуждения каждого вибратора включить устройство управления фазой ко­ лебаний, возбуждающее вибратор-фазовращатель.

При фазовом смещении колебаний вибраторов (или бло­ ков вибраторов) общее (суммарное) электромагнитное поле из­ лучения отклоняется от перпендикулярности к плоскости ФАР.

Направлением ДН остронаправленной антенны можно управлять без механического отклонения решетки.

Структурная схема аппаратуры потребителя приведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема аппаратуры потребителя

Бортовая (ненаправленная) антенна принимает сигналы ИСЗ, после чего они усиливаются, фильтруются (освобождают­ ся от помех), определяется время их запаздывания, доплеров­ ский сдвиг частоты (изменение несущей частоты сигнала в зави­ симости от скорости и направления взаимного перемещения НИСЗ и ЛА). Все эти данные поступают на ЭВМ, входящую в состав бортовой аппаратуры ЛА.

С пульта управления оператор вводит в ЭВМ следующие данные: точное гринвичское время, счисляемые скорость, курс и высоту полета самолета. Используя эти данные, ЭВМ по вве­

140