Принцип действия спутниковой радионавигационной системы.

Спутниковой называют радионавигационную систему, в которой роль опорных радионавигационных точек выполняют искусствен­ные спутники Земли, снабженные специальной навигационной ап­паратурой. В состав системы входят навигационные спутники, выполняющие функции опорных станций, судовая навигационная аппаратура и система наземного обеспечения, включающая космо­дром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает выполнение всех операций по подготовке навигационных спутников и выводу их на орбиту. Командно-изме­рительный комплекс с помощью системы телеметрии контролирует состояние спутников, управляет их работой, определяет параметры движения и снабжает всей информацией, необходимой для функционирования в качестве средства радионавигации. Центр управляет деятельностью всей системы в целом.

Для того чтобы по навигационному спутнику можно было оп­ределять место, надо с высокой степенью точности знать место спутника в момент обсервации. В принципе эту задачу можно решить разными способами. Например, зная параметры движения спутника, можно на судне с помощью судовой ЭВМ вычислять место спутника на заданный момент. Однако этот путь наталки­вается на серьезные препятствия: на судне надо иметь ЭВМ с широкими возможностями, учет ряда факторов, воздействующих на спутник, весьма сложен. Второй путь — решение задачи пред- вычисления места на самом спутнике — требует наличия на нем сложного вычислительного комплекса. В настоящее время назем­ный обеспечивающий комплекс решает задачу предвычисления координат и параметров движения спутника с некоторой дискрет­ностью, вся эта информация передается на спутник и запоми­нается его устройством памяти. Затем, через определенные про­межутки времени, эта информация частями передается спутником для использования потребителями. Информация, содержащаяся в памяти спутника, периодически, по команде наземного комплекса, обновляется. Таким образом, спутник сам передает информацию о своих координатах и, кроме того, излучает сигнал, позволяю­щий на судне определить радионавигационный параметр.

Знание места спутника и величины радионавигационного пара­метра позволяет определить поверхность положения, на которой находится судно. Несколько таких измерений в разные моменты времени по одному спутнику или одновременно по разным позво­ляют определить несколько поверхностей положения и в итоге — место судна. В зависимости от вида системы могут измеряться различные радионавигационные параметры. Как уже указывалось ранее, в системе первого поколения «Транзит» измеряется допле- ровская частота или ее изменение; в системе второго поколения «Навстар» производятся дальномерные и доплеровские измерения. Вычислительные задачи, связанные со спутниковыми обсервация­ми, в достаточной мере сложны и требуют наличия в составе судовой аппаратуры электронно-вычислительной машины.

Итак, при работе навигационной спутниковой системы проис­ходят следующие основные процессы. Наземный комплекс обеспе­чивает спутник периодически обновляющейся информацией о его координатах и параметрах движения. Спутник с определенной дис­кретностью передает эту информацию и навигационный сигнал. Судовая навигационная аппаратура принимает информацию о месте спутника, одним из способов измеряет радионавигацион­ные параметры и, используя эти данные, вычисляет место судна.

Орбиты и зоны радиовидимости навигационных ИСЗ. Орбита спутника в значительной мере определяет как возможности, так и методы его навигационного использования.

При движении спутника по круговой орбите его линейная скорость

Скорость, при которой спутник движется по окружности над поверхностью Земли, называется первой космической скоростью и равняется 7,91 км/с. Конкретная величина скорости спутника и время его обращения зависят от высоты. Так, при высоте орби­ты 1 ООО км время обращения 105,7 мин. Время обращения рав­няется 24 ч при высоте орбиты 35 870 км. Если спутник запущен на экваториальную орбиту с такой высотой, он будет неподвижен относительно Земли и носит название стационарного.

В общем случае спутник движется по эллиптической орбите. Такая орбита представляет собой эллипс, один из фокусов кото­рого совпадает с центром масс Земли. Положение ИСЗ на орбите относительно Земли может быть определено шестью кеплеров- скими элементами, пять из которых характеризуют положение орбиты и направление движения ИСЗ, а шестой — положение спутника на орбите. К этим шести элементам относятся:

наклонение плоскости орбиты относительно плоскости эква­тора;

долгота восходящего узла орбиты; аргумент перигея; эксцентриситет орбиты; большая полуось орбиты; время прохождения спутника через перигей. Орбиты в зависимости от наклонения относительно плоскости экватора подразделяются на экваториальные, полярные и наклон­ные. По высоте их делят на низкие (высотой до 5000 км), сред­ние (высотой от 5 000 до 20 000 км) и высокие (высотой более 20 000 км). Выбор орбиты зависит от метода навигационного использования. В системах первого поколения применяются доп- плеровские методы измерения. Чтобы эффект Доплера был хорошо

выражен, необходима большая скорость изменения расстояния, то есть малая высота. Но на малых высотах существенно прояв­ляется динамическое торможение. Выбирается компромиссное значение высоты орбиты около 1 100 км. Однако на системы с низкоорбитальными спутниками значительно влияют аномалии гравитационного поля и сопротивление атмосферы. Оптимальными с этой точки зрения считают в настоящее время орбиты со сред­ними высотами (около 20 000 км).

Зона радиовидимости. Зоной радиовидимости назы­вается область пространства, в которой с судна виден спутник, причем под видимостью понимается радиовидимость. Радиовиди­мость отличается от оптической, так как радиогоризонт отли­чается от оптического горизонта минимальным углом радиовиди­мости б, находящимся в пределах от 5 до 10°. Радиус зоны радио­видимости

где Р — сферический радиус зоны радиовидимости, град; R—радиус Земли, км; Л_п — высота полета спутника, км.

При движении относительно Земли спутник создает полосу обзора шириной 2р, симметричную относительно трассы. Для наб­людателя, находящегося в полосе обзора, спутник восходит над радиогоризонтом, угловая высота его достигает максимума, назы­ваемого углом кульминации, после чего он заходит. Время от восхода до захода определяет возможную длительность измере­ний, которая максимальна в случае, если в момент кульминации ИСЗ проходит через зенит наблюдателя.

Методы определения места с использованием НИСЗ. Мето­ды, применяющиеся в системе «Транзит». Для определения радионавигационного параметра используется эффект Доплера. Возможны три метода определения места с использованием эф­фекта Доплера: дифференциальный, траверзный и интегральный.

Дифференциальный доплеровский метод. До­пустим, что судно, на котором установлена судовая навигацион­ная аппаратура, неподвижно. Передатчик, находящийся на спут­нике, перемещается, удаляясь от судна. При этом за время At расстояние от судна до спутника изменилось на величину AR.

Изменение фазы за счет перемещения спутника

Время измерения на судне М будет складываться из времени перемещения спутника Ati=AR/V_p (где У_Р—радиальная состав­ляющая скорости спутника) и времени прохождения радиоволной дополнительного расстояния Ah=ARic\

    ^,xx,-⁴>

Так как V_pто, пренебрегая V_p в знаменателе, получим при­ближенное значение f_д:

Учитывая, что Kp^KcosfS, где р— угол между орбитальной скоростью спутника V и радиальной скоростью F_p, перепишем вы­ражение для f_д еще раз в виде

Из этого выражения следует, что

Полагая частоту передатчика спутника f и скорость спутника V известными и измерив доплеровскую частоту, можно определить угол р между вектором скорости спутника и вектором радиальной скорости, т. е. направлением на судно.

Из этого следует, что поверхностью положения будет конус, осью которого является направление вектора скорости спутника. Сечение конуса с поверхностью Земли — кривая линия, получив­шая название изодопы, т. е. линии постоянной величины доплеров- ской частоты. Если бы измерения не сопровождались погрешностя­ми, изодопы пересекались бы в точке местонахождения судна. В си­лу симметричности изодоп точек пересечения было бы две, но двузначность можно было бы разрешить путем использования счислимого места.

Описанный метод получил название дифференциального допле- ровского.

Траверзный метод. Частный случай дифференциально­го. В момент ti, когда спутник проходит точку кратчайшего рас­стояния R_KP до судна (рис. 167), угол р = 90°, доплеровская часто­та /_д=0. Этот момент называют траверзом, причем под траверзом понимается кратчайшее расстояние до спутника. Если следить за изменением доплеровской частоты и отметить момент перехода ее через нуль, то в этот момент судно будет находиться в плоскости, перпендикулярной вектору скорости спутника. Траверзное расстоя­ние будет определяться скоростью изменения доплеровской часто­ты в момент траверза. В настоящее время метод не нашел существенного примене­ния в судовождении и подробнее рассмат­риваться не будет.

Интегральный доплеровский метод. Основан на измерении числа би­ений между колебаниями судового опор­ного генератора и сигналом, принятым от спутника, за определенный заданный интервал времени.

Обозначим частоту опорного генерато­ра /_г, а частоту принятого от спутника сигнала /_п. Тогда частота биений

где Af — разность частот опорного генератора и передатчика спутника.

Подставив значение из формулы, получим

Число биений за интервал времени от ti до /₂

Из соотношения видно, что число биений тесно связано с разностью расстояний. Преобразуя уравнение, находим, что

Таким образом, разность расстояний до двух положений спут­ника от судна выражается через измеренное число биений, извест­ные два параметра системы [f— частоту передатчика спутника и (t2—t1) —время интегрирования] и разность частот опорного гене­ратора судна и передатчика спутника Δf. Значит, интегральный ме­тод можно трактовать как метод, позволяющий измерять разность расстояний между судном и точками местонахождения спутника в моменты времени t₂ и t1 В результате число биений определяет по­верхность положения — гиперболоид вращения, фокусами которого являются места спутника в моменты t1 и t₂. Сечением гиперболоида с поверхностью Земли будет изолиния, форма которой близка к сферической гиперболе. Измерив число биений за два промежутка времени, можно получить две изолинии, необходимые для опредения места судна. Однако на судне неизвестна разность частот свое­го опорного генератора и передатчика спутника, и для ее определе­ния необходимо еще одно дополнительное измерение. Дальнейшее увеличение числа измерений позволяет повысить точность опреде­ления вероятнейшего места судна путем статистической обработки избыточной информации.

Методы, применяющиеся в системе «На в стар». В этой системе измеряемые радионавигационные параметры — за­держка и доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала относительно его модели, формируемой в судовой навигационной аппаратуре. Задержка позволяет определить расстояние, доплеров­ское смещение — радиальную скорость. Для создания в судовой навигационной аппаратуре модели сигнала спутника необходим ге­нератор с очень высокой стабильностью частоты. Так как в системе по одному и тому же сигналу спутника необходимо определять два радионавигационных параметра, возникла проблема характера сиг­нала спутника. Для повышения точности дальномерных измерений необходимо увеличивать эффективную ширину спектра; для повы­шения точности измерения скорости надо увеличивать эффектив­ную длительность сигнала. Одновременное удовлетворение этих требований для простых сигналов невозможно, в связи с чем в си­стеме применяются сигналы сложной формы, так называемые шу- моподобные. Такие сигналы можно получить путем дополнительной фазовой манипуляции простых. При этом ширина полосы будет оп­ределяться уже не длительностью сигнала, а длительностью эле­ментарного символа фазовой манипуляции.

 

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: