Изложены принципы построения спутниковой радионавигационной системы (СРНС)
ГЛОНАСС, даны ее системные характеристики, а также основные характеристики
подсистем космических аппаратов, наземного сегмента и сегмента потребителей.
Предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся разработкой,
производством и эксплуатацией аппаратуры потребителей СРНС ГЛОНАСС; может быть
полезна также студентам и преподавателям высших учебных заведений при изучении
дисциплин радиотехнического профиля.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................. 3
ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 6
1. Исторические сведения..................................................... 6
2. Требования к спутниковым радионавигационным системам..................... 11
Литература.................................................................. 17
Раздел 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ... 18
Глава 1. Структура спутниковых радионавигационных систем.................... 18
1.1. Общие сведения................................................... 18
1.2. Подсистема космических аппаратов................................. 19
1.3. Наземный командно-измерительный комплекс......................... 20
1.4. Навигационная аппаратура потребителей СРНС....................... 21
1.5. Взаимодействие подсистем СРНС в процессе определения текущих
координат спутников.............................................. 21
Литература.................................................................. 22
Глава 2. Шкалы времени...................................................... 23
2.1. Единицы мер времени.............................................. 23
2.2. Системы отсчета времени, используемые в СРНС..................... 25
2.3. Шкалы времени СРНС............................................... 27
2.4. Синхронизация шкал времени....................................... 28
Литература.................................................................. 29
Глава 3. Траекторное движение навигационных спутников....................... 30
3.1. Системы координат, используемые в СРНС........................... 30
3.2. Уравнения невозмущенного траекторного движения НС в инерциальной
системе координат................................................ 32
3.3. Классические элементы орбиты спутника............................ 33
3.4. Параметры движения НС по невозмущенной орбите.................... 35
3.5. Уравнения невозмущенного движения НС в инерциальной системе
ординат с использованием орбитальных элементов................... 37
3.6. Общая характеристика возмущенного движения НС.................... 40
3.7. Приближенные уравнения возмущенного движения в геоцентрической
подвижной системе координат...................................... 43
3.8. Основные навигационные характеристики НС......................... 45
Литература.................................................................. 47
Глава 4. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ................................. 48
4.1. Общие определения................................................ 48
4.2. Дальномерный метод............................................... 49
4.3. Псевдодальномерный метод......................................... 50
4.4. Разностно-дальномерный метод..................................... 51
4.5. Радиально-скоростной (доплеровский) метод........................ 51
4.6. Псевдорадиально-скоростной (псевдодоплеровский) метод............ 53
4.7. Разностно-радиально-скоростной метод............................. 53
4.8. Комбинированные методы........................................... 54
4.9. Определение ориентации с помощью СРНС............................ 54
Литература.................................................................. 56
Глава 5. Радиосигналы и навигационные сообщения в спутниковых
радионавигационных системах........................................ 57
5.1. Требования, предъявляемые к радиосигналам в СРНС................. 57
5.2. Функция неопределенности и выбор формы сигнала................... 58
5.3. Шумоподобные сигналы в СРНС...................................... 60
5.4. Фазоманипулированные сигналы..................................... 61
5.4.1. Общие свойства............................................... 61
5.4.2. М-последовательности. Основные свойства...................... 64
5.5. Навигационные сообщения в СРНС................................... 66
5.5.1. Общие сведения............................................... 66
5.5.2. Помехоустойчивое кодирование навигационной информации........ 67
5.6. Модуляция радиосигнала навигационным сообщением.................. 69
5.6.1. Фазовая манипуляция радиосигнала............................. 69
5.6.2. Относительная фазовая манипуляция............................ 70
5.7. Синхронизация в СРНС ГЛОНАСС..................................... 71
Литература ................................................................. 72
Глава 6. Методы и алгоритмы обработки сигналов и извлечения навигационной
информации......................................................... 73
6.1. Общие сведения................................................... 73
6.2. Алгоритмы первичной обработки.................................... 74
6.2.1. Алгоритмы поиска сигналов по задержке и частоте.............. 75
6.2.2. Алгоритмы фильтрации фазы, задержки сигала и оценки
дискретного параметра........................................ 78
6.3. Алгоритмы вторичной обработки.................................... 84
6.3.1. Итерационные алгоритмы определения координат................. 84
6.3.2. Определение координат при избыточности измерений............. 87
6.3.3. Сравнение точности оценок координат потребителя, полученных
псевдодальномерным и разностнодальномерным методами.......... 89
Литература.................................................................. 93
Глава 7. Источники погрешностей и точность навигационновременных определений
в СРНС............................................................. 94
7.1. Погрешности, вносимые на НС и КИК................................ 95
7.1.1. Погрешности частотно-временного обеспечения.................. 95
7.1.2. Погрешности эфемеридного обеспечения......................... 96
7.2. Погрешности, вносимые на трассе НС-потребитель................... 97
7.2.1. Тропосферные погрешности..................................... 97
7.2.2. Ионосферные погрешности...................................... 98
7.2.3. Погрешности из-за многолучевости............................ 102
7.3. Погрешности, вносимые приемоиндикатором СРНС.................... 102
7.4. Геометрический фактор в СРНС.................................... 105
Литература................................................................. 108
Раздел 2. СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ГЛОНАСС................... 109
Глава 8. Общие сведения о спутниковой радионавигационной системе ГЛОНАСС... 109
8.1. Структура и основные характеристики............................. 109
8.2. Этапы развертывания............................................. 112
8.3. Система координат, используемая в СРНС ГЛОНАСС.................. 115
8.4. Частотно-временное обеспечение. Шкалы времени системы ГЛОНАСС... 115
Литература................................................................. 117
Глава 9. Наземный сегмент (подсистема контроля и управления)............... 118
9.1. Назначение и состав подсистемы контроля и управления............ 118
9.1.1. Общие сведения.............................................. 118
9.1.2. Центр управления системой................................... 119
9.1.3. Контрольные станции......................................... 120
9.1.4. Кванто-оптические станции................................... 121
9.1.5. Система контроля фаз........................................ 122
9.1.6. Аппаратура контроля поля.................................... 123
9.2. Эфемеридное обеспечение......................................... 124
9.2.1. Особенности формирования эфемеридной информации в ГЛОНАСС... 125
9.2.2. Типовые операции управления................................. 126
9.2.3. Технология определения траектории движения спутника......... 129
Литература................................................................. 130
Глава 10. Подсистема космических аппаратов................................. 131
10.1. Орбитальные характеристики спутников........................... 131
10.2.Радиосигналы в СРНС ГЛОНАСС..................................... 135
10.2.1. Виды используемых сигналов................................. 135
10.2.2. Характеристики излучаемых навигационных радиосигналов...... 136
10.3. Характеристики модулирующих последовательностей................ 140
10.4. Навигационные сообщения в СРНС ГЛОНАСС ........................ 144
10.4.1. Общие сведения............................................. 144
10.4.2. Эфемериды НС ГЛОНАСС....................................... 146
10.4.3. Альманах системы ГЛОНАСС................................... 149
10.4.4. Резервные разряды в суперкадре............................. 151
10.4.5. Контроль достоверности навигационных данных................ 151
10.5. Контроль целостности СРНС ГЛОНАСС.............................. 151
10.6. Бортовая аппаратура спутников ГЛОНАСС.......................... 154
10.6.1. Назначение бортовой аппаратуры............................. 154
10.6.2. Состав спутника............................................ 155
10.6.3. Бортовой навигационный передатчик.......................... 155
10.6.4. Бортовой хронизатор........................................ 157
10.6.5. Бортовой управляющий комплекс.............................. 158
10.6.6. Система ориентации и стабилизации и другие вспомогательные
системы.................................................... 159
10.6.7. Функционирование бортовых систем спутника ГЛОНАСС.......... 160
Литература................................................................. 161
Глава 11. Особые режимы работы спутниковых радионавигационных систем....... 162
11.1. Дифференциальный режим СРНС ГЛОНАСС............................ 162
11.1.1. Определение дифференциального режима СРНС................. 162
11.1.2. Точностные возможности дифференциального режима........... 164
11.1.3. Дифференциальные подсистемы СРНС.......................... 166
11.1.4. Разновидности дифференциального режима СРНС............... 176
11.2. Интегрирование СРНС ГЛОНАСС и GPS.............................. 178
Литература................................................................. 183
Глава 12. Аппаратура потребителей.......................................... 185
12.1. Принципы построения и функционирования аппаратуры потребителей. 185
12.2. Антенный блок.................................................. 186
12.3. Приемник....................................................... 188
12.4. Коррелятор..................................................... 189
12.5. Навигационный вычислитель...................................... 191
12.6. Алгоритмы первичной обработки информации в АП.................. 192
12.6.1. Алгоритмы поиска и обнаружения............................ 192
12.6.2. Алгоритм работы и схема слежения за фазой сигнала......... 193
12.6.3. Алгоритм работы и схема слежения за задержкой сигнала..... 195
12.6.4. Алгоритм работы и схема системы частотной автоподстройки.. 197
12.6.5. Алгоритмы работы дискретных фильтров в контуре следящих
систем.................................................... 198
12.6.6. Выбор параметров дискретной следящей системы.............. 203
12.6.7. Алгоритм выделения навигационного сообщения............... 211
12.7. Алгоритмы вторичной обработки.................................. 211
12.7.1. Демодуляция навигационного сообщения...................... 211
12.7.2. Алгоритм оценки навигационных параметров.................. 212
12.7.3. Расчет вектора состояния НС на основе неоперативной
информации................................................ 213
12.7.4. Расчет вектора состояния НС на основе оперативной
информации................................................ 217
12.7.5. Пересчет координат потребителя из земной в геодезическую
систему координат......................................... 217
12.8. Особенности применения СРНС в различных областях............... 219
12.8.1. Особенности применения в авиации.......................... 219
12.8.2. Особенности применения морскими потребителями............. 227
12.8.3. Особенности использования наземным транспортом............ 241
12.8.4. Особенности использования в геодезии...................... 244
12.9. Современные образцы аппаратуры потребителей.................... 261
Литература................................................................. 278
Раздел 3. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
ГЛОНАСС.......................................................... 279
Глава 13. Направления совершенствования системы ГЛОНАСС.................... 279
Глава 14. Навигационно-временные определения, основанные на фазовых
измерениях....................................................... 286
14.1. Методы разрешения неоднозначности фазовых измерений на уровне
вторичной обработки.............................................. 286
14.2. Беспереборные процедуры разрешения неоднозначности............. 291
14.3. Применение методов оптимальной фильтрации для синтеза
алгоритмов НВО, основанных на фазовых измерениях............... 297
14.3.1. Метод дополнительной переменной........................... 297
14.3.2. Оценка задержки одночастотного когерентного радиосигнала.. 299
14.3.3. Оценка задержки двухчастотного когерентного радиосигнала.. 301
14.3.4. Общая задача оценки параметров при наличии в наблюдениях
периодических функций..................................... 303
14.3.5. Задача фильтрации при наличии в наблюдениях периодических
функций................................................... 307
Литература................................................................. 316
Глава 15. Повышение достоверности навигационно-временных определений....... 317
15.1. Требования к достоверности НВО................................. 317
15.2. Пути повышения достоверности НВО в приемоиндикаторах СРНС...... 319
15.2.1. Факторы, влияющие на целостность СРНС..................... 319
15.2.2. Методы контроля целостности СРНС.......................... 321
15.2.3. Методов автономного контроля целостности в
приемоиндикаторах СРНС.................................... 324
15.2.4. Подходы к процедуре идентификации неисправного НС......... 326
15.3. Оптимальные алгоритмы АКЦ на основе однократных измерений...... 327
15.3.1. Исходные соотношения для задачи АКЦ методом оценок........ 327
15.3.2. Алгоритм АКЦ на основе метода оценок...................... 328
15.3.3. Оптимальный алгоритм АКЦ, учитывающий наблюдения
доплеровской частоты...................................... 333
15.3.4. Характеристики оптимальных алгоритмов АКЦ................. 335
15.4. Фильтрационные алгоритмы АКЦ в ПИ СРНС......................... 338
Литература................................................................. 341
Глава 16. Комплексная обработка информации в аппаратуре потребителей
спутниковых радионавигационных систем............................ 343
16.1. Принципы комплексирования навигационных измерителей............ 343
16.2. Комплексная первичная обработка информации в аппаратуре
потребителей СРНС.............................................. 346
16.2.1. Оптимизация интегрированной аппаратуры потребителей
радионавигационных систем ГЛОНАСС и Loran-C/Чайка......... 347
16.2.2. Оптимизация интегрированной аппаратуры потребителей
спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS....... 359
16.3. Комплексная вторичная обработка информации..................... 368
Литература................................................................. 380
Список сокращений.......................................................... 382
Предметный указатель....................................................... 387
