Рассматриваются принципы построения, использования и комплексного
проектирования сетевых спутниковых радионавигационных систем (ССРНС),
а также основные свойства их как больших измерительно-вычислительных
систем высокого класса точности. В общем виде характеризуется структура
ССРНС с указанием взаимодействия отдельных звеньев системы, кратко
описываются системы <Глонасс> и <Навстар>, анализируются сигналы, энергетика
навигационных радиолиний с учетом влияния ионосферы и тропосферы, синхронизация временных шкал сети навигационных ИСЗ (НИСЗ) и формирование
кадра служебной информации. Подробно рассматриваются принципы построения
аппаратуры потребителей (АП) и ее разновидности, процессы в устройствах
первичной и вторичной обработки, возможности фазовых измерений по несущей
частоте, дифференциальный режим навигационных определений.
Приводятся алгоритмы решения навигационно-временных задач как конечными,
так и итерационными способами по полным выборкам результатов измерений и по
выборкам нарастающего объема, оценки точности навигационно-временных сеансов,
структура математического обеспечения АП.
Даются основы системных принципов проектирования ССРНС с характеристикой
последовательности выбора и расчета основных параметров системы в целом и
ее составных элементов, синтез сетей НИСЗ как по условиям наблюдаемости,
так и по точностным критериям, основы объединения радионавигационных полей
от спутниковых и наземных РНС и комплексной обработки информации на борту
потребителя.
В отличие от 1-го издания (1982 г.) здесь впервые описывается советская
система <Глонасс>, анализируется АП, совместно использующая системы
<Глонасс> и <Навстар>, приводятся различные способы навигационного, временного
и геодезического использования ССРНС, рассматриваются разновидности АП.
Для научных работников и преподавателей вузов. Может быть полезна
судоводительскому и штурманскому составу.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................................. 3
Введение..................................................................... 4
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СЕТЕВЫХ СРНС.................... 10
Глава 1. Принципы построения и особенности сетевых спутниковых РНС.......... 10
1.1. Структурная схема СРНС................................................. 10
1.2. Особенности сетевых СРНС................................ .............. 11
1.3. Классификация СРНС..................................................... 13
1.4. Согласование начал отсчета пространственных и временной координат
в ССРНС................................................................ 18
1.5. Общая характеристика элементов ССРНС....................................21
1.6. Советская сетевая спутниковая РНС "Глонасс"............................ 25
1.7. Американская сетевая спутниковая РНС "Навстар"......................... 32
1.8. Информационные центры спутниковых РНС.................................. 37
Глава 2. Геометрические свойства методов измерений в ССРНС.................. 38
2.1. Навигационные параметры................................................ 38
2.2. Навигационные функции.................................................. 41
2.3. Градиенты полей навигационных параметров............................... 42
2.4. Градиентная и фундаментальная матрицы ................................. 44
Глава 3. Основы решения навигационных задач в СРНС.......................... 46
3.1. Конечные и итерационные методы навигационных определений............... 46
3.2. Математические основы определений по полной выборке измерений.......... 49
3.3. Геометрические факторы................................................. 58
Глава 4. Сигналы в спутниковых РНС.......................................... 59
4.1. Общие требования к сигналам СРНС....................................... 59
4.2. Статистическая модель радионавигационного канала СРНС.................. 59
4.3. Анализ требований, предъявляемых к сигналам СРНС....................... 61
4.4. Типовые структуры совмещенных сигналов для различных вариантов
пассивных СРНС......................................................... 62
4.5. Особенности выбора структуры сигналов в активных вариантах СРНС........ 72
Глава 5. Энергетика навигационных радиолиний................................ 73
5.1. Требования, предъявляемые к навигационным радиолиниям.................. 73
5.2. Общая характеристика прямой и ретрансляционной радиолиний СРНС......... 74
5.3. Учет условий распространения радиоволн в СРНС.......................... 77
5.4. Способы уменьшения атмосферных погрешностей дальномерного и
доплеровского измерений................................................ 82
5.5. Особенности энергетических расчетов радиолиний в зависимости от
расположения обслуживаемого слоя....................................... 88
Глава 6. Способы разделения сигналов........................................ 92
6.1. Методы уплотнения и разделения сигналов в сетевых СРНС................. 92
6.2. Вероятностное разделение сигналов спутников при использовании ШПС в
ССРНС.................................................................. 96
6.3. Статистические характеристики ширины полосы принимаемого излучения в
сетевых СРНС........................................................... 99
6.4. Особенности разделения сигналов в активных СРНС....................... 101
Глава 7. Принципы построения измерительно-вычислительной аппаратуры
потребителей ..................................................... 105
7.1. Обобщенная структурная схема АП ССРНС................................. 105
7.2. Информационные потоки в АП............................................ 109
7.3. Измеряемые радионавигационные параметры .............................. 110
7.4. Виды и модели помех .................................................. 114
7.5. Основы статистического синтеза измерителей радионавигационных
параметров ........................................................... 116
Глава 8. Устройства первичной обработки радионавигационного сигнала........ 120
8.1. Необходимость поиска радионавигационных сигналов...................... 120
8.2. Способы решения задачи поиска радиосигналов НИСЗ...................... 122
8.3. Устройства оценки радионавигационных параметров....................... 124
8.4. Цифровая реализация устройств первичной обработки..................... 131
8.5. Оценка погрешностей измерений радионавигационных параметров........... 136
8.6. Способы повышения помехоустойчивости АП............................... 138
Глава 9. Разновидности аппаратуры потребителей............................. 141
9.1. Особенности аппаратуры потребителей различных типов................... 141
9.2. Одноканальная аппаратура потребителей................................. 144
9.3. Многоканальная аппаратура потребителей................................ 150
9.4. Мультиплексная аппаратура потребителей................................ 154
9.5. Аппаратура потребителей для одновременной работы по системам
"Глонасс" и "Навстар"................................................. 158
9.6. Унификация аппаратурных решений....................................... 161
Глава 10. Кадр навигационного сигнала...................................... 163
10.1. Организация обработки измерений и формирование эфемеридной
информации........................................................... 163
10.2. Методология выбора элементов кадра сигнала........................... 166
10.3. Условия реализации алгоритмов прогнозирования эфемерид НИСЗ.......... 168
10.4. Алгоритмы прогнозирования движения НИСЗ.............................. 171
10.5. Состав, форма представления и объем информации, передаваемой в кадре
навигационного сигнала системы "Навстар"............................. 173
10.6. Кадр навигационного сигнала системы "Глонасс"........................ 182
Глава 11. Синхронизации временных шкал системы НИСЗ........................ 186
11.1. Общая характеристика хранителей временных шкал....................... 186
11.2. Методы сверки временных шкал......................................... 188
11.3. Коррекция временных шкал............................................. 190
11.4. Способы учета в навигационном сеансе смещений временных шкал НИСЗ.... 191
11.5. Согласование шкал времени систем <Глонасс> и <Навстар>............... 193
11.6. Синхронизация временных шкал сети НИСЗ на основе взаимных временных
измерений............................................................ 195
Глава 12. Области использования сетевых спутниковых РНС.................... 197
12.1. Применение ССРНС - основа координатно-временного обеспечения......... 197
12.2. Определение координат, их производных и навигационных элементов
наземных и приземных объектов........................................ 199
12.3. Определение параметров движения околоземных КА....................... 200
12.4. Определение взаимных координат в интересах предупреждения
столкновении подвижных объектов и группового их вождения............. 202
12.5. Высокоточная геодезическая привязка.................................. 203
12.6. Определение ориентации объектов в пространстве....................... 205
12.7. Синхронизация излучения станции с наземным базированием.............. 208
12.8. Наблюдение для обеспечения управления движением перемещающихся
объектов............................................................. 210
12.9. Целеуказание в системе обнаружения терпящих бедствие................. 211
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ОСНОВЫ НАВИГАЦИОННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ССРНС................... 213
Глава 13. Алгоритмизация решения навигационных задач....................... 213
13.1. Задача синтеза алгоритма навигационных определении................... 213
13.2. Модель навигационных измерении....................................... 215
13.3. Модель динамики потребителя.......................................... 216
13.4. Факторы, влияющие на выбор способа обработки информации в ССРНС...... 219
Глава 14. Алгоритмы решения навигационных задач по выборке одновременных
измерении ....................................................... 220
14.1. Алгоритмы решения навигационной задачи по выборке минимального объема
одновременных измерении.............................................. 220
14.2. Алгоритмы решения навигационной задачи по избыточному объему
одновременных измерений.............................................. 226
14.3. Оценка сходимости алгоритмов решения навигационной задачи............ 233
Глава 15. Алгоритмы решения навигационных задач по выборке измерений
нарастающего объема.................................................. 235
15.1. Рекуррентный алгоритм решения задачи методом Калмана и его модификации
при различных составах измерений..................................... 235
15.2. Способы устранения расходимости фильтров Калмана..................... 240
15.3. Рекуррентные соотношения гауссовского фильтра 2-го порядка........... 243
15.4. Сравнение рекуррентных алгоритмов по размерам области сходимости..... 245
Глава 16. Способы оценки точности определения параметров движения.......... 248
16.1. Показатели точности навигационных определений........................ 248
16.2. Корреляционная матрица.ошибок определяемых параметров................ 250
16.3. Источники ошибок навигационных определений........................... 251
16.4. Отображение точностных характеристик и интегральная оценка точности
СРНС................................................................. 253
Глава 17. Высокоточное сличение шкал времени удаленных пунктов по
сигналам НИСЗ.................................................... 255
17.1. Методы синхронизации ШВ удаленных пунктов............................ 255
17.2. Оценка точности сверки ШВ удаленных пунктов по выборке одновременных
псевдодальномерных измерений......................................... 257
17.3. Потенциальная точность сверки ШВ пункта с известными координатами по
данным псевдодальномерных и радиальных псевдоскоростных измерений.... 261
Глава 18. Точность определения координат при идновременных измерениях по
элементарному созвездию НИСЗ..................................... 263
18.1. Элементарные созвездия............................................... 263
18.2. Геометрические факторы при определении поверхностных координат по
элементарному созвездию из двух НИСЗ................................. 264
18.3. Геометрические факторы при определении поиерхиостных координат по
элементарному созвездию из трех НИСЗ................................. 268
18.4. Геометрические факторы при определении пространственных координат
по элементарному созвездию из четырех НИСЗ........................... 270
18.5. Точностные свойства доплеровских методов в сетевых СРНС в сравнении
с дальномерными...................................................... 271
Глава 19. Точность определения пространственных координат и вектора скорости
по сети НИСЗ..................................................... 273
19.1. Общая характеристика поля точностей.................................. 273
19.2. Распределение вероятностей геометрических факторов................... 274
19.3. Точность оценки координат и времени.................................. 275
19.4. Точность оценки скорости движения.................................... 279
19.5. Оценка точности определения параметров движения КА................... 280
Глава 20. Дифференциальный режим ССРНС..................................... 282
20.1. Необходимость дифференциального режима............................... 282
20.2. Структура дифференциальной подсистемы................................ 283
20.3. Методы дифференциальных определений.................................. 285
20.4. Корректирующая информация............................................ 291
20.5. Каналы передачи корректирующей информации............................ 297
20.6. Точностные характеристики ДМ......................................... 299
20.7. Измерения РНП по фазе несущих колебаний.............................. 305
20.8. Результаты испытаний. Реализация ДПС................................. 309
Глава 21. Точность определения параметров движения в активном и относительном
режимах.......................................................... 311
21.1. Точностные характеристики активных СРНС.............................. 311
21.2. Точностные свойства сетевых СРНС в относительном режиме.............. 314
Глава 22. Математическое обеспечение бортовой аппаратуры потребителей...... 317
22.1. Автоматизация навигационных определений и штурманских расчетов....... 317
22.2. Методические основы математического обеспечения...................... 318
22.3. Основные задачи ВТО.................................................. 320
22.4. Управляющий алгоритм................................................. 324
22.5. Временная диаграмма алгоритма........................................ 326
22.6. Принципы проектирования программного обеспечения..................... 327
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. КОМПЛЕКСНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ССРНС............................ 329
Глава 23. Задачи и особенности комплексного проектирования ССРНС........... 329
23.1. Основные задачи, решаемые при комплексном проектировании............. 329
23.2. Этапы создания ССРНС................................................. 332
23.3. Особенности проектов СРНС различного назначения...................... 334
Глава 24. Синтез структуры сети НИСЗ из условий обеспечения заданной
кратности покрытия............................................... 340
24.1. Этапы выбора структуры сети НИСЗ..................................... 340
24.2. Зона радиовидимости, полоса покрытия область перекрытия............ 341
24.3. Достаточные условия оптимальности сети НИСЗ, обеспечивающей заданную
минимальную кратность покрытия....................................... 342
24.4. Необходимые условия оптимальности сети НИСЗ.......................... 345
24.5. Свойства экстремальной сети НИСЗ, обеспечивающей заданную минимальную
кратность покрытия................................................... 349
24.6. Условие стабильности пространственной конфигурации сети НИСЗ......... 350
Глава 25. Синтез структуры сети НИСЗ по критерию точности навигационных
определений.......................................................... 352
25.1. Геометрический смысл оптимизации по критерию точности................ 352
25.2. Выбор оптимального по критерию точности созвездия НИСЗ............... 355
25.3. Приближенный учет параллакса минимального созвездия.................. 358
25.4. Качественный анализ зон пониженной точности.......................... 360
25.5. Уточнение структуры сети НИСЗ по минимаксному критерию точности...... 363
25.6. Сравнение ССРНС "Глонасс" и "Навстар"................................ 366
Глава 26. Основы комплексного использования СРНС с другими
радионавигационными и автономными навигационными средствами...... 368
26.1. Общие предпосылки и возможности совместного использования спутниковых
РНС и других навигационных средств................................... 368
26.2. Комбинированная разностно-дальномерная РНС, состоящая из наземных
станций и стационарного НИСЗ......................................... 371
26.3. Комплексное использование низкоорбитальной СРНС и фазовой СДВ РНС.... 375
26.4. Комплексирование аппаратуры потребителей на уровне первичной обработки
информации........................................................... 378
Глава 27. Критерии оценки эффективности навигационного использования СРНС.. 379
27.1. Эффективность сложных систем......................................... 379
27.2. Особенности исследования эффективности спутниковых РНС............... 383
27.3. Общие и частные критерии эффективности СРНС.......................... 385
Список литературы.......................................................... 391
