Сигналы спутниковых РНС: формирование и распространение излучаемых сигналов, прием и измерение радионавигационных параметров в аппаратуре потребителя

3.1

3.  СИГНАЛЫ  СПУТНИКОВЫХ  РНС:  ФОРМИРОВАНИЕ

И  РАСПРОСТРАНЕНИЕ  ИЗЛУЧАЕМЫХ   СИГНАЛОВ, 

ПРИЕМ   И   ИЗМЕРЕНИЕ  РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ

ПАРАМЕТРОВ  В  АППАРАТУРЕ  ПОТРЕБИТЕЛЯ .

3.1.  Назначение  сигналов  в  спутниковых   РНС

Уточним,  что  в  данном  изложении  речь  идет о назначении сигналов  тех  спутниковых  РНС,  которые в  морском транспортном судовождении использовались ранее и используются  в настоящее время. К числу  этих  систем  относятся  TRANSIT и «Цикада», GPS и ГЛОНАСС,  а также   система  КОСПАС-САРСАТ, предназначенная   для определения  местоположения судов, потерпевших аварию. Основными назначениями  сигналов,  излучаемых  в  указанных РНС являются.  

1.  Определение навигационного  параметра,  обусловленного взаимным положением подвижного пункта и навигационного ИСЗ, по результатам измерений  радионавигационного  параметра сигнала на  приемном пункте.

2.  Передача сообщений, которые  в  СРНС GPS и ГЛОНАСС используются для:

- обеспечения расчета  на подвижном  пункте координат  ИСЗ, перемещающегося   по  заданной  траектории; 

             - обеспечения стабильности  частоты  и синхронности в хранителях  времени навигационных  ИСЗ  и  приемных  пунктах  СРНС,  соответствующей  стабильности  частоты, достигнутой  в  наземных  хранителях времени;

-  уменьшения  погрешностей  навигационного  параметра, вызываемых изменяющимися условиями  распространения  радиоволн;

-  составления прогноза расположения спутников   системы относительно приемного пункта;

-  управления  элементами  системы и  контроля за ее состоянием.

3.  Разделение  излучения  навигационных  ИСЗ  при  одновременном  поступлении  в  приемный  пункт сигналов  от  нескольких  из них.

Реализация указанных назначений  осуществлялась  и  осуществляется  различным образом  в  зависимости  от типа СРНС  (низкоорбитальных   и  среднеорбитальных),  в которых  используются  и  различные  виды   сигналов  с   различающимися  параметрами.

Общим  свойством   сигналов,   излучаемых  с навигационных  ИСЗ,  является   использование  частот    УКВ  или СВЧ    диапазона,   при  которых   радиоволны   способны  распространяться   из   космического  пространства сквозь  ионосферные   слои   до  земной   поверхности.

В  качестве  наиболее   простых  рассмотрим  сигналы  низкоорбитальных  СРНС  и принцип  получения  навигационных  параметров  при  использовании этих  сигналов. 

        3.2.  Определение  навигационных  параметров по сигналам     

                  низкоорбитальных   спутниковых  РНС

3.2.1.  Как  уже упоминалось, к   низкоорбитальным    относят   СРНС  с   ИСЗ,   максимальное  удаление  которых  от  поверхности   Земли   составляет  ~ 1000 км.   Это  широко   использовавшаяся  в  прошлом,  а ныне  закрытая   система   TRANSIT,   ныне ограниченно используемая  система  «Цикада»   и  радионавигационный   комплекс действующей  в  полной  мере   системы  КОСПАС- САРСАТ.  

В указанных  СРНС  реализован принцип определения   навигационных параметров  по сигналам  в  виде незатухающих   синусоидальных  колебаний.  Для  его   рассмотрения   воспользуемся   рисунками.  3.1  и 3.2.

На рис. 3.1   показано взаимное  положение ИСЗ,  который  при  перемещении по известной  траектории оказывается  поочередно в точках  1,  2,  … i, … k  горизонтной

3.2

системы координат  X_г, Y_г, Z_г   (принцип построения горизонтной  системы  координат поясняется  в  следующем   разделе 4  с  иллюстрацией на  рис.  4.1)  и  приемного  пункта (который   вначале будем  полагать неподвижным)  в  точке  П

На  рис.  3.2 а   приведена  упрощенная  структурная  схема  формирования  сигналов,  излучаемых   с   ИСЗ.   Схема   состоит   из   возбудителя  (опорного генератора) незатухающих   синусоидальных  колебаний  1,   усилителя  их   мощности   2   и  излучающей   антенны  3.

Колебание,  излучаемое     антенной  3    в  момент  t₁ (нахождения  ИСЗ в точке 1),    представим  выражением

                 (  3.1 ), где    и      -  амплитуда  и   частота  колебания,  излучаемого   с  ИСЗ,         

  -   начальная  фаза  (для  момента  t₁) излучаемых  с  ИСЗ  колебаний.

Радиоволна,  возбуждаемая  в  точке 1,  через время      (где    -  расстояние  между  точкой  1   расположения   излучающей антенны и  пунктом  П  нахождения приемной  антенны  4,   рис.  3.2 б)  возбудит  в приемной антенне  колебание

, которое  после  прохождения  через приемник   5,  может быть  представлено  в виде

        ( 3.2 ), где       -   фазовый  сдвиг,  приобретаемый  колебанием после прохождения через цепи приемника.   Это  колебание  подается на  левый  вход  фазометра (измерителя  разности  фаз)   6,  на   нижний  вход  которого от  опорного  генератора  (ОГ)  7   поступает  колебание

            ( 3.3 ), где    -   частота   колебаний   опорного генератора,

 -   начальная  фаза  опорных  колебаний  в момент    приема  колебания от ИСЗ.

Полагаем,  что на  ИСЗ и  в приемном  пункте   обеспечиваются  нестабильности частоты,  при которых  обеспечивается   равенство  частот   .  Тогда разность  фаз  входных колебаний   фазометра в данный момент  окажется равной

         ( 3.4 ).

3.

В  результате  измерения  разности  фаз, представленном  выражением    ( 3.4. ),    навигационным  параметром  является  расстояние  .   Для  того,  чтобы его  определить,  необходимо  располагать  величинами   разности       и    .   Если они известны,  то, вычитая    их   из   ( 3.4 ),  можно  определить

           ( 3.5 ), операции над  которым для  нахождения  величины     представляются  очевидными и   несложными.

Если   известными  способами относительно   просто  определить   и  учесть  величину  ,   то  величины  составляющих  в  разности    обусловлены  нестабильностями  частоты  используемых  опорных  генераторов.   При относительной  нестабильности  частоты хранителей  времени  на подвижных объектах    и     фазовый  сдвиг    изменится  на  величину      за  время     с.      То  есть,  величина    реально  неизвестна, как  и  величина      при  нестабильности  хранителей  времени  на  ИСЗ  , при которой  фазовый  сдвиг    изменится  на величину    за  25  секунд.  Следовательно,   в  реальных  судовых условиях  величина    определена  быть  не  может.

Но и в предположении, что   величины     и      известны и могут быть скомпенсированы,   полную величину   не может быть  определена, так   как    при      ( - длина излучаемой с ИСЗ  волны)  расстояние     следует представлять в  виде

                                               ,

(где  -  обычно  неизвестное число  отрезков ,   содержащееся в расстоянии  ),  и по однозначному результату фазовых измерений  может быть рассчитана только величина  .