1.1 Сравнительный анализ свойств существующих спутниковых радионавигационных систем
в настоящее время решение проблемы обеспечения потребителей навигационной информацией на всей поверхности Земли и в околоземном пространстве осуществляются с использованием сигналов от двух глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС):
российской ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) /39/;
американской GPS (Global Positioning System - глобальная система местоопределения) /43/.
Орбитальный сегмент каждой СРНС состоит из системы навигационных спутников (НС), расположенных на околокруговых орбитах с одинаковыми наклонениями.
При решении навигационной задачи НС используются, как опорные навигационные ориентиры, пространственные координаты которых известны.СРНС ГЛОНАСС состоит из трех сегментов; космического сегмента, наземного сегмента контроля и управления навигационными спутниками и сегмента потребителя.
Космический сегмент полностью развернутой системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах с высотой 19100 км, наклонением 64,8* и периодом обращения И часов 15 минут и равномерно размещенных в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на угол 120° . в каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с одинаковым сдвигом по аргументу широты на 15° относительно спутников соседней плоскости. Такая конфигурация космического сегмента позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем, достаточное для одномоментного решения навигационной задачи потребителем.
Наземный сегмент контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенных по всей территории России. в задачи наземного сегмента входит контроль правильности функционирования НС, непрерывное уточнение параметров орбиты и выдача на спутники временных программ, команд управления, навигационной информации об орбитах полета, частотно-временные и ионосферные поправки.
Сегмент потребителя - навигационная аппаратура потребителей (НАП) состоит из навигационных приемников (НП) и устройств, предназначенных для приема навигационных сигналов и вычисления собственных координат, скорости, поправок бортового эталона времени и стандарта частоты.
Космический сегмент полностью развернутой системы GPS состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах с высотой 20000 км, наклонением 54° и периодом обращения 12 часов в трех орбитальных плоскостях.
Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120° . в каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с одинаковым сдвигом по аргументу широты на 15°, относительно спутников соседней плоскости. Навигационные поля ГЛОНАСС и GPS потенциально имеют схожие характеристики, в случае их полного развертывания.в последние годы для навигационного обеспечения создаваемых и проектируемых отечественных космических аппаратов, широко применяются технологии, основанные на получении и использовании информации от СРНС второго поколения - ГЛОНАСС. При штатном ее функционировании, получаемая навигационная информация удовлетворяет таким заявленным требованиям, как глобальность, оперативность и точность. Однако в силу причин, в первую очередь экономического характера, отечественная СРНС ГЛОНАСС достаточно продолжительное время является не полностью развернутой. Это значит, что количество НС меньше штатного. Кроме того, нужно отметить, что количество нормально функционирующих навигационных спутников может уменьшиться в результате их выхода из строя не только по причине технического износа, но и при активном противодействии.
При неполном количестве НС в орбитальной группировке СРНС теряет свою целостность, т. е. свойство обеспечивать потребителей навигационной информацией в глобальном масштабе. Для НКА при движении по орбите, потеря целостности СРНС означает наличие участков орбиты, на которых НП не в состоянии получить навигационные измерения. НП получает навигационные измерения при наличии в зоне прямой видимости четырех и более НС. Четыре видимых НС являются номинально необходимым количеством для решения навигационной задачи в НП с использованием разностно-дальномерного метода. Наряду с нарушением целостности при неполном
количестве НС в СРНС происходит ухудшение точности навигационной информации, получаемой из НП. Точность навигации ухудшается по причине того, что при неполном количестве НС не всегда возможно выбрать из них созвездия, оптимальные для получения высокой точности.
Оптимальность созвездия понимается в смысле получения более высокой точности решения навигационной задачи.По этой причине в настоящее время ГЛОНАСС не в состоянии обеспечить своих потребителей навигационной информацией требуемого качества. При этом такие свойства навигационной информации как глобальность, оперативность и точность страдают в разной степени. возникает необходимость в поисках путей, которые сохранят устойчивое функционирование потребителей навигационной информации для решения ими всех целевых задач. Это относится и к КАДЗЗ. Для анализа этой проблемы необходимо оценить степень ухудшения параметров навигационного обеспечения и как следствие, качества навигационной информации.
Установленный на НКА НП в условиях неполностью развернутой (деградированной) СРНС, не может эффективно решать навигационную задачу на всем протяжении орбиты. возможность решения навигационной задачи в НП зависит от взаимного расположения плоскости орбиты НКА относительно орбит НС СРНС и текущего положения КА на орбите. При этом точность решения навигационной задачи в НП в текущий момент времени зависит от количества видимых НС и их расположения относительно КА - потребителя навигационной информации. При этом в условиях не полностью развернутой СРНС, наблюдаются значительные участки орбиты, на которых количество видимых спутников меньше четырех, что приводит к невозможности решения навигационной задачи в НП.
Приведем пример навигационных полей точностей местоопределения для типовых орбиты КАДЗЗ.
На рисунке 1.1 изображено навигационное поле точности местоопределения по СРНС GPS в зависимости от аргумента широты НКА положения (и) на орбите КА и от сдвига плоскости орбиты НКА относительно плоскостей орбит НС СРНС по долготе восходящего узла (Ц). Длина интервала по переменной Q равна 120', соответствует взаимному положению трех орбитальных плоскостей НС СРНС.
На аналогичном рисунке 1.2 изображено навигационное поле точности местоопределения по неполностью развернутой СРНС ГЛОНАСС.
Навигационное поле полностью развернутой СРНС, какой является GPS, меняется по точности на разных участках орбиты незначительно.
Разность по точности может составлять не более чем в 1,5 раза. Навигационное поле GPS является действительноглобальным т.е. обеспечивает решение навигационной задачи в НП на всем протяжении орбиты КА.
Анализ рисунка 1.2 показывает, что навигационное поле ГЛОНАСС, которая является деградированной СРНС, на всем протяжении движения КА потребителя навигации существенно меняется по точности (более чем в 2-3 раза) и кроме этого имеет промежутки до половины витка, в которых навигационные решения из НП вообще не поступают, в таких условиях нарушается свойство глобальности, и затруднительно обеспечение бесперебойной работы систем потребителей навигационной информации НКА.
Таким образом, у потребителей к которым предъявляются высокие требования по надежности работы, возникает проблема с обеспечением навигационной информацией на значительных интервалах времени в случае нарушения целостности навигационной системы. ГШ
Поле точностей GPS: по вертикали изменение долготы восходящего узла ft, по горизонтали аргумент широты и
U
Обозначение : точность по положению LZ1 -10 метров; = -15 метров .
Рисунок 1.1 м
Поле точностей ГЛОНАСС: по вертикали изменение долготы восходящего узла ?2, по горизонтали аргумент широты И
90
нет измерении.
и
Обозначение: точность по положению -10 метров ; = -20 метров; Щ -30 метров ;
Рисунок 1.2 ы