Спутниковая радионавигационная система «транзит»

Разработана в США в начале 60-х годов. Применяется для мор­ской навигации гражданских судов с 1967 г.

Состав и основные характеристики системы. В системе функцио­нирует 5—6 спутников на близких к круговым полярных орбитах с. высотой в пределах 1 030—1090 км и периодом обращения 106— 108 мин (рис. 168). Плоскости орбит не остаются неподвижными относительно Земли. Под воздействием возмущающих факторов они прецессируют в пределах от 1 до 28° в год. Вследствие этого плоскости орбит неравномерно распределяются вокруг земного ша­ра и их взаимное расположение с течением времени изменяется (рис. 169). В сегментах последние цифры — номера спутника. У стрелок скорость дрейфа орбит в град в год. В результате дис­кретность обсервации на одной и той же широте изменяется в тече­ние суток и довольно часто наблюдаются случаи взаимных помех спутников, одновременно находящихся в зоне радиовидимости. Так как орбиты близки к полярным, дискретность уменьшается с уве­личением широты места судна, но в широтах выше 70° дискрет­ность вновь возрастает вследствие взаимных помех и увеличения числа «высоких» прохождений спутников.

Наземный комплекс системы «Транзит» состоит из четырех станций слежения, двух станций ввода данных, координационно- вычислительного центра и морской обсерватории, обеспечивающей систему точным временем. Информация со станций слежения и морской обсерватории позволяет координационно-вычислительному центру осуществить прогноз орбиты на 16 ч и определить поправку времени. Комплекс этой информации через станции ввода данных передается на спутник и запоминается его устройством памяти. Каждые 12—16 ч эта операция повторяется, и данные в памяти спутника обновляются. Спутник, в свою очередь, каждые 2 мин передает информацию, соответствующую этим моментам времени.

В судовой навигационной аппаратуре в подавляющем большин­стве случаев используется интегральный доплеровский метод. В те­чение 10—16 мин производится серия измерений изменения допле- ровской частоты за заданный временной интервал. Этот интервал может равняться 2 мин, 1 мин, 30 с и 24 с. Соответственно наиболь­шее число линий положения за сеанс работы со спутником может быть от 8 до 40. Чем больше интервал интегрирования изменения доплеровской частоты, тем выше точность линии положения, но тем больше вероятность ее потери вследствие помех, сбоев в аппа­ратуре и т. п. В последнее время наибольшее применение нашел интервал 24 с, получивший название «короткий доплер». При этом интервале уменьшается вероятность потери обсервации из-за недо­статочного количества линий положения, а понижение точности ли­ний положения компенсируется увеличением их числа.

Спутники системы. Навигационный спутник (рис. 170) имеет восьмигранный корпус с диаметром описанной окружности 0,46 м и высотой 0,3 м. Масса его около 70 кг, размах солнечных батарей до 3,5 м, штанга гравитационной системы ориентации длиной 30 м. Реальный срок активного существования более 10 лет. Спутник содержит устройства общего назначения и специальную навигационную аппаратуру. Устройства общего назначения включают средства стабилизации,источники питания, системы термо­регулирования, телеизмерения и теле­управления. Спутники системы «Тран­зит» имеют гравитационную систему стабилизации и ориентации. В пра­вильном положении спутника к Земле должно быть обращено днище с ан­теннами. Для стабилизации в этом положении имеется магнитная систе­ма, электромагнит которой при про­хождении спутника над магнитным полюсом по команде с Земли отклю­чается. В этот момент выдвигается тридцатиметровая штанга гравитаци­онной ориентации с грузом на конце, поддерживающая правильное положе­ние спутника благодаря разности уровней гравитации на высоте груза и высоте спутника. В качестве источ­ников питания используются солнеч­ные батареи мощностью порядка 30 Вт. Система термостабилизации поддерживает температуру внутри всего объема с точностью до нескольких гра­дусов, достаточной для работы основной аппаратуры. Прецизионные устройства (генераторы частоты), требующие более высокой стабильности температуры, име­ют дополнительно свою систему термостатирования. Устройства телеметрии обес­печивают наземному комплексу возможность контроля состояния спутника н управления им.

Специальная навигационная аппаратура спутника содержит: кварцевый генератор на частоту 5 МГц, характеризующийся стабильностью частоты за 20-минутный интервал времени не хуже 5-10^-", для чего точность термостатирования составляет ±0,001 К;

передающее устройство на две когерентные несущие частоты 149,988 и 399,968 МГц. Две частоты необходимы для исключения ошибки за счет ионо­сферной рефракции. Мощность в режиме непрерывного излучения 1,5 Вт. Пере­дача информации осуществляется фазовой манипуляцией цифровым кодом;

направленную антенну с круговой поляризацией, конструкция которой преду­сматривает излучение большей мощности на более удаленные объекты;

запоминающее устройство для хранения передаваемой наземным комплексом информации, необходимой для функционирования спутника как средства радио­навигации.

Состав и организация информации, передаваемой на­вигационным спутником системы «Транзит». Информация, не­обходимая для решения навигационной задачи, передается манипуляцией фазы сигнала на ±60°. Остаток несущей частоты используется для измерения нави­гационного параметра.

Чтобы не внести ошибку в измерение доплеровской частоты, все данные ко­дируются симметрично. Для обеспечения этой симметричности кодирования вся информация формируется из двух типов сигналов, получивших название прямого и обратного дублетов (рис. 171). Двоичная единица передается комбинацией сначала прямого, а затем обратного дублета; нуль-комбинацией сначала обрат­ного, а затем прямого дублетов (рис. 172). Длительность одного бита около 19,7 мс. Полный кадр передаваемой информации занимает 2 мин и содержит 6103 бита, из которых сформировано 156 слов по 39 битов и одно слово объемом в 19 битов. Первые два слова кадра содержат код идентификации спутника, 20 битов телеметрической информации и метку времени. Метка времени состоит из нуля, 23 единиц и еще одного нуля. Остальная информация, начиная с третье­го слова, содержит группы по 6 слов, причем судовой навигационной аппарату­рой выделяются для использования только последние, шестые слова групп, в общей сложности выделяется 25 слов. Группы по 6 слов выглядят следующим образом (показаны номера слов):

3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11„ 12, 13, 14,

15, 16, 17, 18, 19, 20 и т. д.

Информация, выделяемая судовой навигационной аппаратурой, содержит слова последнего столбца: 8, 14, 20 и т. д. Вся передаваемая спутником эфеме- ридная информация состоит из постоянной и переменной. Постоянная содержит данные, необходимые для расчета координат спутника на правильной эллиптиче­ской орбите. Она передается 14 словами 56, 62,... 134.

Постоянная информация во всех двухминутных блоках одинакова в течение 12—1'6 ч между моментами ее обновления. Это позволяет проверить ее досто­верность путем сверки одинаковых строк разных блоков. Переменная часть со­держит поправки на каждую четную минуту гринвичского времени, необходимые для учета отклонения реальной траектории от правильного эллипса. Она включа­ет в себя сведения о числе двухминутных интервалов, прошедших с момента по­следнего получаса, приращении эксцентрической аномалии, приращении большой полуоси эллипса и приращении внеплоскостной компоненты орбиты. Переменная информация занимает 8 слов: 8. '14, 20, 26, 32, 38, 44, 50. При этом в 26 слове содержатся данные, относящиеся к текущему моменту; в 8, 14 и 20 словах — к прошедшим двухминутым интервалам, а в словах от 32 до 50 — к будущим. Каждая из поправок сначала передается 50 словом, через 2 минуты — 44 словом и т. д., и в конце — 8 словом. Это позволяет путем сличения соседних двух­минутных и т. д. минутных блоков проверить достоверность переменной эфеме- ридной информации. Представление об общей организации информации, переда­ваемой спутником судну, можно получить из табл. 16.

В некоторых моделях судовой навигационной аппаратуры существует режим, при котором можно выдать на печать всю полученную от спутника информацию и результаты измерений. Например, в приемоиндикаторе фирмы «Фуруно» моде­ли «FSN-20C» структура такой распечатки за первый двухминутный интервал имеет следующий вид:

Проанализировав такую информацию за весь сеанс работы со спутником, можно получить суждение о качестве приема информации, выявить погрешности и попытаться найти их причины.