Содержание к диссертации
QZSS 43
Выводы и предложения по модернизации пользовательского радиоинтерфейса СРНС ГЛОНАСС 45
4.2.2. Примеры оптимальных сигнатурных ансамблей с частотным
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И
СОКРАЩЕНИЙ
^ — доплеровская частота
максимальное абсолютное значение частотной расстройки Н ~ высота орбиты КА
Их — расхождение шкал времени «спутник-потребитель»
К — число сигналов (мощность ансамбля)
N — длина сигнала
число видимых спутников.
Л — скорость передачи данных
Яе — радиус Земли
Д(т) — корреляционная функция
измеренная дальность «приемник - /' -й КА (7), 5(7) ~ закон модуляции сигнала
50 (/) — закон модуляции чипа
г — время
время распространения сигнала «г -ый КА - потребитель» Т — длительность сигнала, период процесса
Ж () — плотность вероятности
И^ — общая полоса сигнала
_ координаты потребителя х1, у1, — координаты г -го К А
а5, — угол между плоскостью орбиты /-го КА и плоскостью, прохо
дящей через этот КА, точку расположения приемника и центр Земли
. - угол между прямыми спутник-потребитель и спутник-центр
Земли
А - длительность чипа сигнала
Д. - погрешность определения дальности до г -го КА
0 - угол места
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС и анализу корреляционных свойств ансамблей сигналов при совместном использовании ими общей выделенной полосы частот.
Актуальность работы. В настоящее время для определения местоположения объекта на поверхности Земли и в околоземном пространстве нашли широкое распространение СРНС, главным преимуществом которых является всепогодное и непрерывное определение координат. Обширны сферы применения систем: авиация, судовождение, определение местоположения автомобиля на трассе или человека на местности и т.д. Ведущие державы считают своим долгом поддерживать в рабочем состоянии и постоянно модернизировать СРНС. Для обеспечения высокой точности определения координат кроме жестких требований к эталонам частоты передатчиков существует необходимость подбора таких дальномерных кодов, длина и внутренняя структура которых позволяют достичь потенциальной точности определения координат и удовлетворить требованиям устойчивости к преднамеренным и непреднамеренным помехам. Дальномерные коды, заложенные в первоначальные радиоинтерфейсы СРНС более 30 лет назад, на данном этапе уже не в полной мере отвечают требованиям к тактическим характеристикам СРНС, особенно в части работоспособности в условиях динамического разбаланса сигналов (позиционирование внутри помещений, в обстановке плотной застройки, под лесным покровом и т.п.). В этой связи возникла необходимость модернизации форматов сигналов СРНС.
Задача поиска новых классов сигналов усложняется многообразием применений навигационных систем. Так, для комплекса самолетной радионавигации и определения координат автомобиля в городе следует применять приемники различной сложности и разных по точности и энергетике сигналов. На первое место выходит задача обеспечения целостности и высокой надежности каждого компонента системы. По этим причинам и были введены несколько диапазонов, предназначенных для конкретного класса пользователей.
На современном этапе развернуты и доступны для работы две СРНС - американская GPS и российская ГЛОНАСС; европейская GALILEO будет введена в эксплуатацию в будущем.
Следует особо отметить, что сочетание высокого быстродействия аппаратуры потребителя и грамотное построение сигналов системы в будущем позволит значительно повысить точность определения координат пользователя в городской местности с плотной застройкой, а также внутри зданий. А современные возможности по миниатюризации приемников систем уже сейчас позволяют размещать приемные модули в мобильных телефонах, что оказывает неоценимую помощь по определению координат пользователя в чрезвычайных ситуациях в сложной помеховой обстановке.
Названные факторы обуславливают актуальность проведения исследований по поиску подходящих ансамблей дальномерных сигналов, перспективных для применения в новом поколении радиоинтерфейсов СРНС, всестороннему анализу их характеристик и разработке рекомендаций по их техническому воплощению.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является выработка предложений по модернизации пользовательского радиоинтерфейса СРНС ГЛОНАСС. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предстояло решить следующие задачи:
на основе обзора литературных источников, посвященных системам GPS и Galileo, выделить перспективные направления модернизации радиоинтерфейса отечественной СРНС ГЛОНАСС;
систематизировать критерии выбора ансамблей сигналов с кодовым и частотным разделением; выявить классы ансамблей, отвечающие современным требованиям к пользовательскому интерфейсу СРНС;
проанализировать существующие методы расширения спектра за счет усложнения структуры чипов и по возможности предложить конструкции с лучшими разрешающими и точностными характеристиками;
скомплектовать каталог ансамблей дальномерных сигналов, которые могли бы быть рекомендованы для использования в новом поколении радиоинтерфейса СРНС ГЛОНАСС с учетом возможной вариабельности их ключевых параметров и технологической приемлемости;
выполнить детальный теоретический и численный анализ базовых характеристик отобранных сигналов и сформулировать предложения по аппаратной реализации устройств генерирования рекомендованных ансамблей.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятностей и математической статистики, современной абстрактной алгебры, численные методы и методы математического моделирования.
Научная новизна работы. В диссертации предложены методы улучшения характеристик дальномерных сигналов за счет применения расширяющей модуляции, ансамблей с частотным и кодовым разделением для нового поколения пользовательского интерфейса СРНС ГЛОНАСС. В частности, новыми являются следующие результаты:
Показана неэффективность применения модуляции типа ВОС с точки зрения повышения потенциальной точности местоопределения и ослабления влияния многолучевой помехи. Предложены альтернативные варианты структуры элемента дальномерного сигнала с лучшими разрешающими и точностными характеристиками.
Предложены варианты сигнатурных ансамблей для сигнальных форматов с частотным разделением, проведена оценка их качественных показателей при наличии доплеровского смещения частоты.
Аналитически и численно получена оценка распределения разности доплеровских частот сигналов космических аппаратов. Даны рекомендации по выбору оптимального разноса литерных частот сигналов с частотным разделением. На примере ансамбля Касами подтверждена бесперспективность идей комбинирования частотного и кодового разделения.
государственный контракт № П480 от 4.08.2009г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Поиск новых методов обработки, передачи и управления потоками данных в радиотехнических системах»;
государственный контракт № П2145 от 5.11.2009г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. «Разработка предложений по модернизации пользовательского интерфейса спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС»;
аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы 2008-2010 гг.». Тема: «Разработка и исследование методов адаптации сложных когерентных сигналов с больши-
Предлагаемые способы расширяющей модуляции обладают лучшими характеристиками точности и разрешающей способности в сравнении с форматом ВОС, пропагандируемым в зарубежных источниках.
Поскольку статистические характеристики помехи множественного доступа практически инвариантны к структуре дальномерного ансамбля выбранной длины, в основу выбора последнего целесообразно положить уровень наиболее опасной помехи этого типа, соответствующей нулевой расстройке по частоте;
Оптимальным вариантом построения дальномерных ансамблей с частотным разделением является литерный сдвиг бинарной т - последовательности. Любые попытки сочетания частотного уплотнения с кодовым ведут не к снижению, а к росту уровня помех множественного доступа;
Как показывают теоретический анализ и моделирование, наиболее вероятна нулевая разностная доплеровская частота сигналов космических аппаратов, поэтому литерный разнос при частотном разделении следует выбирать кратным периоду дальномерного кода;
В отсутствие априорных ограничений на длину кода оптимальным дальномерным ансамблем следует считать построенный на базе семейства минимаксных последовательностей, лежащих на границе Велча;
При фиксации длины значением, для которого минимаксные последовательности неизвестны, весьма продуктивна оптимизация семейства дальномерных кодов путем укорочения ансамбля большей длины.
Из всех минимаксных семейств бинарных последовательностей предпочтительными для применения в радиоинтерфейсе ГЛОНАСС с кодовым разделением оказываются ансамбли Кердока и Касами как наиболее простые в плане техники формирования. При этом ансамбли
Гайворонский Д.В. К дискуссии о выборе метода разделения сигналов в новом поколении радиоинтерфейса ГЛОНАСС [Текст] / Гайворонский Д.В., Ипатов В.П. // Известия вузов России, Радиоэлектроника, СПб, 2009. - Вып. 1 - С. 53-60
Гайворонский Д.В. К выбору сигнатурных ансамблей для нового поколения радиоинтерфейса системы ГЛОНАСС [Текст] / Волошин С.Б., Гайворонский Д.В., Ипатов В.П., Самойлов И.М., Шебшаевич Б.В. // Известия вузов России, Радиоэлектроника, СПб, 2009. - Вып. 6 - С. 4455
Гайворонский Д.В. Анализ совместимости новых сигналов ГЛОНАСС с существующими и модернизированными навигационными сигналами
Генератор псевдослучайных бинарных последовательностей [Текст] /пат. 92270 Рос. Федерация: МПК НОЗМ 13/15 G06F 7/58 Гайворонский Д.В., Ипатов В.П., Шебшаевич Б.В., Филатченков C.B., Волошин С.Б.; заявитель и патентообладатель СПб, ОАО «Российский институт радионавигации и времени». - №2009138574/22 заявл. 19.10.2009; опубл. 10.03.10, Бюл. №7 - Зс: ил.
Гайворонский Д.В. Варианты дополнения пользовательского интерфейса СРНС ГЛОНАСС дальномерными сигналами с кодовым разделением [Текст] / Волошин С.Б., Гайворонский Д.В., Ипатов В.П., Самойлов И.М., Шебшаевич Б.В. // Новости навигации, М., 2009. - Вып. 3 - С. 9-16
Гайворонский Д.В. Возможности улучшения характеристик дально- мерных сигналов за счет усложнения структуры чипов [Текст] / Гайворонский Д.В., Ипатов В.П. // Восьмой международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии , СПб, 2009.- С. 153-156
Гайворонский Д.В. Предложения по дополнению пользовательского интерфейса СРНС ГЛОНАСС сигналами с кодовым разделением [Текст] / Гайворонский Д.В. // Пятая международная научно- техническая конференция РТ-2009, Севастополь, 2009. - С. 85
Гайворонский Д.В. Модернизация структуры чипа сигналов космических аппаратов с меандровой модуляцией [Текст] / Гайворонский Д.В. // Пятая международная научно-техническая конференция РТ-2009, Севастополь, 2009. - С. 273
Гайворонский Д.В. Перспективы дополнения пользовательского интерфейса ГЛОНАСС дальномерным сигналом с кодовым разделением [Текст] / Гайворонский Д.В., Ипатов В.П. // Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 62-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб, 2009. - С. 3-7
Гайворонский Д.В. Анализ корреляционных свойств сигналов в новом диапазоне СРНС ГЛОНАСС [Текст] / Гайворонский Д.В. // 64-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио, СПб, 2009. - С.22-23
Гайворонский Д.В. Анализ корреляционных свойств частотно сдвинутых последовательностей Касами [Текст] / Гайворонский Д.В., Плат- ковская Т.Г. // 64-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио, СПб, 2009. - С. 24-25
Гайворонский Д.В. Оптимизация структуры чипа дальномерного сигнала спутниковой радионавигационной системы [Текст] / Гайворонский Д.В., Непогодин Д.С.// 64-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио, СПб, 2009. - С. 25-26
Гайворонский Д.В. Тенденции совершенствования пользовательского интерфейса глобальных спутниковых радионавигационных систем [Текст] / Гайворонский Д.В. // 63-я научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио, СПб, 2008. - С.47-48
Аппаратура потребителей
Особенности функционирования СРНС
4. В рамках двух подходов (отсутствие и наличие априорных ограничений на длину) отобраны и рекомендованы для применения в СОМА радиоинтерфейсе ГЛОНАСС семейства бинарных сигналов, оптимальные по уровню помехи множественного доступа. Выполнен детальный анализ корреляционных свойств предлагаемых сигналов в зонах допле- ровских расстроек.
Практическая ценность работы. Основным практическим выходом работы является завершенный перечень ансамблей дальномерных кодов, рекомендуемых для использования в радиоинтерфейсе ГЛОНАСС с кодовым разделением.
Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполняемых по следующим грантам и научным федеральным целевым программам:
ми базами к помеховой обстановке» Шифр темы ФИЕТ/РС-91 per. № 2.1.2/2519, 2009-2010гг.; 4. «Разработка и исследование методов обработки сигналов перспективных радиоэлектронных средств» per. № 1.5.09 темплана СПбГЭТУ 2009-2010гг.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при проведении НИР «Сигнал» в ОАО «Российский институт радионавигации и времени (РИРВ)» 2007-2009 гг.
Предложения по выбору кодовой структуры дальномерного сигнала диапазона L3 ГЛОНАСС вошли в проект соответствующего интерфейсного контрольного документа, к настоящему моменту прошедшего стадию согласования во всех заинтересованных инстанциях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 63-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (СПб, 2008); на 64-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (СПб, 2009); на V международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2009); на 62-й конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2009); на 61-й конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2008); на VIII международном симпозиуме и выставке по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (СПб, 2009).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них три работы опубликованы в центральных рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК, одна работа в рецензируемом научно-техническом журнале, восемь работ содержатся в сборниках материалов научных конференций. Получен один патент. При участии автора написано пять отчетов по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка. Она изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, 28 таблиц, библиографический список включает 106 наименований.
На защиту выносятся следующие положения:
Кердока обладают уникально большим объемом, что весьма ценно с точки зрения наделения однотипными сигналами ряда СРНС, а также осуществления криптозащиты путем смены передаваемого кода. Содержание работы.
Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели, направления исследований и основные научные положения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе проведен обзор современного состояния и направлений дальнейшего развития СРНС. Рассмотрены предпосылки появления спутниковой радионавигации, исследованы принципы построения и функционирования современных СРНС, включая ГЛОНАСС, GPS и Galileo.
Во второй главе сформулированы подходы к модернизации сигнальных форматов системы ГЛОНАСС. Проведен обзор критериев выбора сигналов с кодовым и частотным разделением, обобщены сведения о количественных и качественных показателях известных ансамблей с наилучшими корреляционными свойствами.
В третьей главе рассмотрены вопросы улучшения характеристик даль- номерных сигналов за счет усложнения структуры чипов. Показана неэффективность модуляции формата ВОС в плане повышения потенциальной точности местоопределения и улучшения разрешения с многолучевой помехой. Предложены альтернативные варианты структуры чипа с лучшими разрешающими и точностными характеристиками.
В четвертой главе проведён выбор сигнатурных ансамблей и оптимизация параметров сигналов космических аппаратов при частотном разделении. Предложены варианты сигнатурных ансамблей для сигнальных форматов с частотным разделением на основе т -последовательности, проведена оценка их качественных показателей при наличии доплеровского смещения частоты. Аналитически и численно найдено распределение разности доплеровских частот сигналов космических аппаратов. Даны рекомендации по выбору оптимального разноса литерных частот. На примере ансамбля
Касами подтверждена бесперспективность комбинирования частотного разделения с кодовым.
В пятой главе детальному анализу подвергнуты ансамбли существующих и модернизированных навигационных сигналов СРНС GPS и Galileo с упором на численные оценки уровня взаимной помехи. Сформулированы общие подходы к выбору сигналов для нового поколения радиоинтерфейса СРНС.
Шестая глава посвящена формированию каталога ансамблей дально- мерных сигналов с кодовым разделением, рекомендуемых как основа нового поколения радиоинтерфейса отечественной СРНС ГЛОНАСС. Рассмотрены два сценария выбора ансамблей: при отсутствии априорных ограничений на длину дальномерного кода и при жесткой фиксации длины значением N = 10 230. Отобранные варианты ансамблей отличаются как высокими качественными показателями, так и простотой аппаратной реализации.
В Заключении дается перечень основных результатов диссертационной работы.
Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях: ВАК
[Текст] / Болотин С.Б., Гайворонский Д.В., Ипатов В.П., Самойлов И.М., Шебшаевич Б.В. // Известия вузов России, Радиоэлектроника, СПб, 2009. - Вып. 6 - С. 56-65 патент
в прочих рецензируемых изданиях
в сборниках трудов международных конференций
в сборниках трудов региональных конференций
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
1.1 Предпосылки появления спутниковой радионавигации
Задача определения координат в пространстве берет свои корни из далекой древности, однако, только в XX веке проблема высокоточного определения собственного положения вышла на принципиально новый уровень. Для удовлетворения растущих потребностей разных классов пользователей, например мореплавателей или летчиков, требовалось создать систему, позволяющую определять координаты в любую погоду в любой точке земного шара. Первым шагом к решению поставленной задачи стало развертывание в 1943 году на побережье США радионавигационной системы (РНС) Лоран-А (Ьогап-А) [1-5]. Принцип ее работы заключался в следующем: наземные передающие станции (маяки) излучали радиосигнал в виде импульсов, следующих через строго определенные промежутки времени; на движущемся объекте эти сигналы принимали, измеряя разности времен прихода сигналов от пар маяков, в итоге вычислялось местоположение корабля с погрешностью в несколько километров. Со временем погрешность определения местоположения объектов на земной поверхности с помощью наземных РНС удалось снизить до сотен метров (Лоран-С, Декка) [6-10], однако такие системы имели один весьма существенный недостаток — ограниченную дальность действия. Для обеспечения большой территории покрытия были созданы целые цепочки маяков, зоной охвата которых стало северное полушарие (РСДН-20) или весь земной шар (Омега). Поддержание в рабочем состоянии РНС оказалось достаточно сложной и затратной задачей, именно по этой причине для решения вопроса расширения зоны покрытия и уменьшения количества маяков была предложена идея размещения передающих станций в околоземном пространстве. При космическом базировании навигационных маяков, в отличие от наземного, излучаемая ими длина волны не ограничена снизу требуемыми размерами зоны обслуживания. Поэтому для спутниковой навигации можно использовать дециметровые волны, предпочтительные в плане минимизации массогабаритных характеристик антенных и приемопередающих трактов.
Переломным стал 1957 год, когда был запущен первый искусственный спутник Земли, открывший новую страницу в решении задач радионавигации. Первые научно-исследовательские работы по навигационному использованию искусственных спутников Земли начались в Советском Союзе, в Ленинграде, в 1955 г. под руководством проф. B.C. Шебшаевича [11-13]. Аналогичные проработки стали проводиться также в г. Горький под руководством проф. М.М.Кобрина. В 1958-59 гг. были определены структура и состав спутниковых РНС (СРНС), выбраны методы радионавигационных измерений и обоснованы основные проектные параметры системы с высотой орбиты 1000 км, определившие облик первого поколения спутниковых систем.
1.2 СРНС первого поколения
СРНС первого поколения, появившиеся в начале 60-х гг., быстро зарекомендовали себя как достаточно точные и надежные средства судовождения. Их использование позволило оценить возможности применения СРНС также для воздушной навигации, навигации наземных подвижных объектов, определения параметров движения космических аппаратов (КА) и для систем управления движением. В результате были развернуты две СРНС первого поколения: Цикада (СССР) и Транзит (США).
1.2.1 СРНС Цикада
Развертывание СРНС Цикада начинается в 1967 году, с выводом на орбиту первого навигационного спутника «Космос-192». Полностью система была введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех КА на круговых орбитах высотой 1000 км с наклонением 83 и равномерным распределением орбитальных плоскостей по экватору [14-17]. Система позволяла определять координаты объекта каждые 1,5-2 часа при продолжительности навигационного сеанса до 10 мин. С течением времени в результате модернизации системы среднеквадратическая погрешность местоопределения объекта была доведена до 80-100 м. В своей основе Цикада использовала доплеровский сдвиг частоты сигнала передатчика для определения координат места. Позже КА этой системы были дооснащены аппаратурой для обнаружения терпящих бедствие объектов, оборудованных радиобуями, излучающими специальные сигналы. В настоящее время Цикада имеет ограниченное применение в навигации. Для определения координат кораблей ВМФ СССР использовалась низкоорбитная СРНС Цикада-М, обладающая характеристиками, близкими к системе Цикада.
Нужды российских вооруженных сил потребовали создания и военного варианта системы, называемого Циклон, состоящего из шести КА, что позволило уменьшить период определения координат; при этом системы Цикада и Циклон могут использоваться совместно [13,17].
1.2.2 СРНС Транзит
В США с 1964 г. развернута доплеровская СРНС Транзит, созданная по заказу ВМФ для навигационного обеспечения атомных подводных лодок, оснащенных баллистическими ракетами. В результате длительной отработки этой системы была достигнута высокая точность местоопределения: среднеквадратическая погрешность засечки достигает 32 м для неподвижного потребителя, оборудованного двухканальной аппаратурой [13,18-22].
Успехи применения СРНС первого поколения для морской навигации послужили стимулом к повторению их идеологии при создании системы для наземных и воздушных потребителей. В частности, было доказано, что погрешность определения местоположения определяется преимущественно неточным знанием путевой скорости, не выходя за пределы 1,8 км.
СРНС первого поколения обладают целым рядом недостатков: определение координат возможно только в дискретные моменты времени, паузы в измерениях составляют порядка 1,5 часов, продолжительность навигационного сеанса не превышает 10-15 минут, что и явилось толчком к разработке нового поколения СРНС, свободного от названных изъянов.
1.3 СРНС второго поколения
При разработке архитектуры СРНС второго поколения во главу угла было поставлено обеспечение повышенной точности местоопределения, непрерывности навигационной работы и практически мгновенной выдачи ко- ординатно-временных данных.
Первоначальные поиски связывались с совершенствованием низкоорбитальных СРНС первого поколения путем наращивания числа КА и увеличением радиуса орбиты с одновременным добавлением к доплеровскому каналу еще и дальномерного. Однако подобные меры не позволяли продвинуться дальше непрерывного измерения параметров по двум КА.
Дальнейшее развитие идей непрерывной и одномоментной спутниковой навигации связано с поиском путей определения полного вектора состояния потребителя, включающего три пространственные координаты и три составляющие скорости. Поскольку при использовании пассивного метода измерения дальности (с хранением начала отсчета на борту потребителя) необходимо дополнительно определять в навигационном сеансе также смещение бортовой временной шкалы, а для повышения точности доплеровских измерений требуется дополнительно определять смещение бортовой опорной частоты, число определяемых параметров возрастает с шести до восьми. В связи с этим детальной проработке подвергались такие варианты СРНС, которые обеспечивают в любой точке земной поверхности видимость не менее четырех КА.
Основное внимание сосредоточилось на средневысотных орбитах [23,24]. Спутники на таких орбитах имеют достаточно обширную зону видимости и позволяют уверенно выполнять по ним доплеровские измерения. На среднеорбитных спутниках оказалось возможным реализовать важную для нового поколения СРНС сетевую архитектуру - координацию пространственного расположения КА на орбитах и синхронизацию излучаемых спутниками сигналов, благодаря чему данное решение было названо сетевым.
С конца 60-х и в 70-е гг. в Советском Союзе и в США отрабатывались базовые принципы и технические решения, касающиеся среднеорбитных СРНС, для чего применялись специальные технологические навигационные спутники. В результате этих крупномасштабных работ уточнился общий облик СРНС второго поколения и определились основные варианты аппаратурных решений. Созданные независимо в Советском Союзе и в США варианты СРНС второго поколения оказались достаточно близкими, что явилось предпосылкой для их возможного совместного использования.
В Советском Союзе СРНС второго поколения получила наименование ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Аналогичная система, развернутая в США была названа Навстар (Navstar - Navigational Satellite Time and Range) или по ее фактическому назначению GPS (Global Positioning System). Тактико-технические свойства обеих СРНС определяются выбором созвездия КА, стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а также способами устранения и компенсации ряда погрешностей.
СРНС второго поколения являются сетевыми системами непрерывного действия, обеспечивающими глобальное высокоточное определение полного вектора состояния потребителя. Сеть КА включает минимум 24 спутника на круговых орбитах высотой порядка 20 ООО км с периодом обращения около 12 часов. Полная группировка КА системы ГЛОНАСС состоит из трех наклоненных к плоскости экватора под углом 65 орбит по восемь КА на каждой, а системы GPS - четырех орбит с наклонением 55 по шесть КА на каждой [11,24-26]. Определение пространственных координат и составляющих вектора скорости основывается на дальномерных и доплеровских измерениях. Благодаря такой структуре системы и современному аппаратно- программному обеспечению точностные показатели СРНС второго поколения существенно улучшились по сравнению с предшествующими системами: типичная среднеквадратическая погрешность определения координат имеет для них порядок 10 м, а компонент вектора скорости — 0,05 м/с.
1.4 Принципы определения координат потребителя в СРНС
Принцип работы СРНС основан на измерении расстояния между фазовыми центрами антенны местоопределющегося объекта и антенн маяков (КА), положение которых известно с высокой точностью [16,27,28]. После включения приемника начинается поиск видимых КА. При этом возможен как вариант «холодного» старта, когда приемник не располагает сколько- нибудь надежной априорной информацией о времени прихода и частотной расстройке сигнала, так и использование альманаха - сводной таблицы параметров орбит созвездия КА, полученной во время предыдущего сеанса, и позволяющей сузить интервалы поиска по времени и частоте. Найдя хотя бы один спутник, приемник потребителя из полученного сообщения получает необходимую информацию как о текущем положении видимого КА, так и о параметрах орбит всей системы. Получив обновленную информацию о видимых в данный момент спутниках, приемник декодирует сообщения КА и извлекает информацию о текущих значениях эфемерид, которые затем используются при определении дальности между г -ым маяком и потребителем. Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на постоянстве скорости распространения радиоволн в пространстве. Помимо эфемерид, спутник передает метки времени, которые позволяют однозначно оценить смещение временной шкалы приемника относительно системного времени СРНС.
Введем следующие обозначения:
Я"ш- измеренная дальность от приемника до /-го навигационного спутника;
А^— время распространения сигнала на трассе «/-ый спутник- потребитель» на момент проведения навигационного измерения;
с - скорость распространения электромагнитных волн в пространстве.
Тогда расстояние от потребителя до / -го спутника определится как
Д,ЮЛ!=с Агг (1.1)
Уравнение (1.1) также можно записать через координаты г-го спутника {х^у^г^ и подлежащее измерению координаты потребителя (х,у,г) в декартовой системе
ЯГ=у1(х-х1)2+(у-у1)2+(2-г1)2, / = 1,2,... (1.2)
Очевидно, что для решения уравнения (1.2) необходимо составить минимум три уравнения, т.е. измерить дальности до трех спутников. Если это выполнено, то решается система из трех нелинейных уравнений с тремя неизвестными.
Однако в силу того, что шкалы времени сети КА и потребителя изначально не синхронизированы, при определении дальностей по уравнениям (1.2) появляется погрешность из-за их расхождения, но, поскольку производятся одномоментные измерения всех дальностей, а шкалы времени навигационных спутников синхронизированы между собой, то расхождение шкал «спутник-потребитель» в момент определения дальностей можно считать постоянной неизвестной величиной, подлежащей оценке наряду с координатами потребителя. Обозначив эту неизвестную величину через , системе из уравнений (1.2) можно придать вид
ЯГ = у/(х ~ +(У~ У1Т +(г-г1)2 + с-кх. (1.3)
Уравнение (1.3) содержит четыре неизвестные величины сле
довательно для определения всех компонент необходимо составить минимум
четыре уравнения т.е. требуется определение дальностей минимум до четырех КА.
Результатом решения системы (1.3) при / = 1,2,3,4 являются координаты потребителя х,у,г и расхождение шкал времени сети навигационных спутников и аппаратуры потребителя /гт [11,29,30].
Расхождение шкал времени сети навигационных спутников и часов потребителя не является единственным источником ошибок при определении дальностей.
В более общем виде система уравнений (1.3) может быть записана так
ВТ *1 )2 + (у- У, У + (* - )2+С-К + А,, 1 = 1,2 (1.4)
где: Д.— погрешности определения дальности до /-го спутника из-за неточности предсказания эфемерид, погрешностей скорости распространения радиоволн в тропосфере и ионосфере на трассах «/-ый спутник-потребитель», ошибок многолучевого распространения сигналов навигационных спутников в месте приема, шумов приемного канала аппаратуры потребителя и естественных или преднамеренных помех.
Накапливая и обрабатывая данные местоопределения за определённый промежуток времени, можно вычислить такие параметры движения, как скорость, пройденный путь и т.д.
1.5 Архитектура СРНС
Перенос излучающих маяков с земной поверхности в космос привел к изменению структуры РНС. Если наземная РНС включает только набор маяков и аппаратуру потребителя, то структура СРНС включает в себя помимо упомянутых составляющих и некоторые дополнительные элементы. Упрощенная структурная схема СРНС (рис. 1.1) включает космодром, космический сегмент — систему КА, аппаратуру потребителя, командно- измерительный комплекс (КИК) и центр управления [29,31,32]. Космодром обеспечивает вывод КА на требуемые орбиты при развертывании СРНС, а также периодическое восполнение числа КА по мере выработки каждым из них ресурса [16,27,31,32]. Приданные космодрому командно-измерительные средства телеметрического канала контролируют работу бортовых систем и траекторию полета КА на участке вывода его на орбиту.
Рисунок 1.1— Структурная схема СРНС
1.5.1 Космический сегмент
Космический сегмент СРНС представляет собой совокупность КА передающих наряду с дальномерными сигналами и служебную информацию. На КА размещаются средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрии, командного и программного управления, а также системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.
Сеть КА выбирается из соображений обеспечения требуемой кратности глобального покрытия зонами видимости, заданной точности местоопреде- ления и минимальной взаимной помехи принимаемых сигналов.
Все КА сети излучают однотипные сигналы, используемые для измерений дальности и радиальной скорости. Индивидуальным для каждого КА являются тонкая структура дальномерного сигнала и содержание передавав- мой служебной информации. Наряду с этим применяются различные способы доступа к используемым сигналам. Так, универсальная СРНС должна обслуживать гражданских, а также военных потребителей. При этом требуется, чтобы к сигналу, обеспечивающему предельно точную навигацию, имели доступ только санкционированные потребители, а для других он был затруднен. Гражданские потребители заинтересованы, напротив, в беспрепятственном доступе к используемому сигналу.
Содержанием служебной информации являются: частотно-временные поправки для данного КА и его эфемериды, альманах, телеметрическая информация, ключевые слова, поправки на распространение радиоволн и иная информация, повышающая точность и надежность навигационного сеанса. Вся эта информация компонуется определенным образом в виде кадра, распадающегося на строки, и передается с известной периодичностью.
1.5.2 Командно-измерительный комплекс
Командно-измерительный комплекс служит для снабжения КА служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления КА.
В число задач комплекса входят: проведение траекторно-временных измерений для определения орбит и расхождения бортовых шкал времени всех КА с системным временем; предсказание для каждого КА его будущих эфемерид и ухода бортовых часов; формирование массива служебной информации спрогнозированных эфемерид, альманаха и поправки бортовой шкалы времени; закладка массива служебной информации в память каждого КА; контроль по телеметрическим каналам за работой систем сети КА и диагностика их состояния; управление по командному каналу полетом всех КА и работой их бортовых систем [11,32]. Высокая точность расчета эфемерид обеспечивается соответствующим набором измерительных средств, внесением поправок на выявленные методические погрешности и вовлечением в обработку результатов как свежих траекторных измерений, так и накапливаемых за недельный срок.
Аппаратура потребителей предназначена для приема и обработки сигналов КА, для этого в приемнике предусматривается специализированная ЭВМ решающая поставленную навигационную задачу.
Аппаратура выполняет следующие операции: выбор рабочего созвездия из всей совокупности видимых КА; расчет для выбранной группы КА ожидаемых значений угловых координат, дальности и радиальной скорости; поиск сигналов КА по кодовому номеру, временной задержке и доплеров- скому смещению частоты; выделение и декодирование эфемеридной информации; измерение временной задержки сигнала и его доплеровского смещения; обработку измерительной и эфемеридной информации от всех КА для определения координат и составляющих скорости потребителя; оценку точности проведенного навигационного решения [17,29,32].
Рабочее созвездие выбирается по полученному ранее и хранящемуся в памяти альманаху, позволяющему на любой момент вычислить координаты всех КА системы. Для полностью развернутой системы из 24 КА над радиогоризонтом потребителя в зависимости от условий может располагаться от пяти до одиннадцати КА. Выбор наилучшего рабочего созвездия основывается на поиске четверки КА, образующих тетраэдр наибольшего объема. В этом случае один КА должен находиться в зените потребителя, а три остальных - лежать вблизи линии горизонта. Отметим, что в наиболее продвинутых приемниках СРНС позиционирование осуществляется с использованием сигналов всех КА, наблюдаемых под углом возвышения не ниже минимального.
Быстрое развитие и широкое использование СРНС обусловлено достоинствами, вытекающими из особенностей их структуры. Эти особенности определяются, прежде всего, орбитальным расположением и движением радионавигационных точек. Основной особенностью является высокая скорость относительного перемещения КА и потребителя. С ней связаны возможность применения доплеровского метода навигационных измерений и необходимое высокое быстродействие всех звеньев системы. Эта же особенность позволяет в течение ограниченных интервалов времени получать значительные объемы измерительной информации, то есть пользоваться статистическими методами обработки измерений. Быстрое изменение навигационных параметров открывает возможность для навигационных определений при числе К А, меньшем числа определяемых координат [33].
Несомненными достоинствами СРНС являются: неограниченная дальность действия в приземном слое пространства; высокая точность определения координат и составляющих вектора скорости во всей рабочей области; однозначность навигационных определений, выдаваемых в единой для всех потребителей системе координат; независимость точности от времени суток, сезонов года и метеоусловий; высокая помехоустойчивость; неограниченность числа обслуживаемых подвижных объектов; возможность при одном и том же радионавигационном поле применять приемоизмерительную аппаратуру разных классов точности и оперативности с различным составом определяемых параметров [11,27,32].
1.6 СРНС ГЛОНАСС
Разработка сетевой СРНС ГЛОНАСС началась в 70-е годы на основе опыта создания и успешной эксплуатации низкоорбитной СРНС Цикада, при этом использовались результаты фундаментальных исследований в области высокоточного прогноза движения КА, учета релятивистско-гравитационных эффектов, повышения долговременной стабильности квантовых генераторов, учета рефракции радиоволн в тропосфере и ионосфере, повышения достоверности передачи и обработки цифровой информации.
После проведения широкомасштабных теоретических, проектных, конструкторских и экспериментальных работ по созданию элементов системы началось ее планомерное развертывание [11,34,35]. Первые КА серии ГЛОНАСС были выведены на орбиту 12 октября 1982 г. Далее с темпом один-два запуска в год продолжалось наращивание сети К А. Выводимые на орбиты спутники использовались для отработки элементов и аппаратуры СРНС, предназначенной прежде всего для обеспечения местоопределения отечественных самолетов гражданской авиации и судов морского флота. В декабре 1995 года спутниковая группировка была развернута до штатного состава — 24 спутника
Архитектура системы ГЛОНАСС соответствует рассмотренной общей структурной схеме СРНС (см. рис. 1.1). Орбитальная структура системы ГЛОНАСС характеризуется следующими параметрами: тип орбиты — круговая, высота 19 100 км; период обращения 11 ч 15 мин, наклонение плоскости орбиты 64,8. Полностью развернутый космический сегмент из 24 КА размещается на трех орбитах, сдвинутых по экватору на 120, по восемь спутников на каждой из них (рис. 1.2) [36,37].
Рисунок 1.2 - Космический сегмент СРНС ГЛОНАСС [11]
Способ разделения сигналов, излучаемых КА системы ГЛОНАСС - частотный. Сигналы спутников идентифицируются по значению номинала несущей частоты, лежащей в отведенной системе полосе частот. Предусмотрены две частотные полосы (у = 1,2) в диапазонах L1 (—1,6 ГГц) и L2 (-1,24 ГГц). Номиналы частот формируются по общему правилу
f^fj+iFoj, (1.5)
где fxj - номиналы литерных частот, fj — первая литерная частота, F0J —
интервал между литерными частотами, / = 0,1,...,24 — номера литер в каждом из диапазонов. В соответствии с рекомендациями Международного Союза Электросвязи (ныне ITU) в системе ГЛОНАСС предусмотрено изменение частотного диапазона для сигнала стандартной точности с номеров частот / = 0,1,...,24 на номера / = -7,-6,...,6 путем присвоения КА, находящимся в противофазе одинакового литерного сдвига несущей. Для частот вблизи 1600 МГц (диапазон L1) у; =1602 МГц, F01 =0.5625 МГц Для частот вблизи 1240 МГц (диапазон L2) /2 =1246 МГц, F02 =0.4375 МГц
Литера / = 0 потребителями не используется и предназначена для проверки резервных КА при восполнении орбитальной группировки. Распределение остальных литерных частот среди функционирующих КА задается альманахом, передаваемым в кадре служебной информации. Таким образом, частотная полоса рабочих сигналов системы в диапазоне L1 составит 1598,0625...1605,375 МГц, а частотная полоса в диапазоне Ь2 - 1242,9375... 1248,625 МГц [33,34,38].
Каждый КА системы ГЛОНАСС излучает радиосигналы в обоих диапазонах для реализации двухчастотного способа исключения ионосферной погрешности измерений навигационных параметров. Для когерентности этих сигналов они формируются от общего эталонного генератора при соблюдении отношения рабочих частот /а!/й = 7/9.
Для гражданских потребителей системы ГЛОНАСС все КА излучают радиосигналы, модулированные дальномерным кодом и служебной информацией в диапазонах Ы и Ь2. Одновременно передаются также радиосигналы, модулированные специальным кодом, предназначенные для военного использования.
Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации со скоростью 50 символов в секунду. Применяется фазовая манипуляция несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП), период повторения которой составляет 1 мс при символьной частоте 511 кГц, так что за один период повторения формируется 511 символов [11,31,39].
Служебная информация, содержащаяся в навигационном сигнале, включает оперативную и неоперативную части. Оперативная информация содержит: эфемериды спутника - три координаты, три составляющие скорости и три составляющие ускорения, обусловленные притяжением Солнца и Луны, на определенный момент времени; оцифровку меток времени спутника; сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы; относительное отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала от опорной частоты центрального хранителя времени [33,34].
Неоперативную информацию образует альманах системы, содержащий: параметры орбит всех спутников системы, округленные значения сдвигов шкалы времени каждого спутника относительно шкалы времени системы, поправки к шкале времени системы относительно шкалы 1ГГС (8Ц), признак работоспособности всех 24 спутников системы.
Полный объем оперативной и неоперативной информации скомпонован в виде суперкадра длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из 5 кадров по 30 с каждый, каждый кадр содержит 15 строк. Длительность каждой строки 2 с, 1,7 с занимает цифровая информация, а последние 0,3 с предоставлены для передачи метки времени. В каждом кадре оперативная информация, относящаяся к данному спутнику, занимает первые четыре строки, остальные строки отведены для неоперативной информации, касающейся системы в целом и очередной группы из 5 КА. Таким образом, полный объём альманаха можно набрать, приняв один суперкадр по сигналу какого либо спутника [38].
Аппаратурой потребителя системы ГЛОНАСС в навигационном сеансе производятся беззапросные измерения дальности и радиальной скорости минимум до четырех КА, причем в зависимости от числа каналов в аппаратуре потребителя прием сигналов от различных КА проводится либо одновременно, либо последовательно во времени. По результатам измерения радионавигационных параметров и по извлеченной из кадра служебной информации определяются пространственные координаты потребителя, составляющие его скорости движения и поправка местной шкалы времени к системной шкале времени ГЛОНАСС [33,35,40].
1.7 СРНС Навстар (GPS)
Работы по созданию сетевой СРНС Навстар (в настоящее время чаще именуемой GPS) были начаты, как и системы ГЛОНАСС, в 70-е годы на основе предшествующего опыта эксплуатации низкоорбитной СРНС Транзит. Запуск первого экспериментального спутника серии Навстар состоялся в 1978 г., и к концу 1988 г. эта спутниковая система практически одновременно с системой ГЛОНАСС вступила в предэксплуатационную фазу своего развития, располагая сетью из семи КА. В 1991 г. сеть увеличилась до 16 КА, а в 1995 г. система была развернута полностью и перешла к нормальному штатному функционированию [11,41].
Космический сегмент GPS построен из 24 КА, гарантируя глобальное трехкоординатное высокоточное навигационное определение в любой момент времени. Конфигурация СРНС представляет собой совокупность из шести круговых орбит высотой около 20 ООО км по четыре спутника на каждой орбите. На рис. 1.3 представлен общий вид космической группировки спутников СРНС GPS [32,42].
Каждый спутник системы излучает два кода: общедоступный С/А, предназначенный для гражданских потребителей, и защищенный Р, используемый только санкционированными потребителями. Оба кода передаются на общей частоте fx =1575,42 МГц, двумя компонентами несущей, сдвинутыми на %12 для исключения амплитудной модуляции. Коды Р и С/А синхронизированы по времени и являются дальномерными, т.е. служат для измерения псевдодальностей. Для передачи служебной информации применяется код D (Data), которым модулируются обе несущие [11,43].
Для исключения ионосферной ошибки применяется двухчастотный способ измерений. В связи с этим наряду с частотой fx предусмотрена когерентная ей частота /2 = 1227.6 МГц, которая тоже модулируется точным измерительным кодом Р, а также кодом служебной информации D [11,44].
Гражданские потребители, не требующие очень высокой точности определения параметров движения, ограничиваются приемом одной квадратурной составляющей частоты fx с кодом С/А, который и используется для измерений. Для высокоточных определений по ключу, содержащемуся в служебной информации кода С/А, определяется фаза кода Р, что и позволяет войти в слежение за ним и произвести соответствующие измерения.
Непрерывно излучаемые коды С/А и Р формируются с использованием фазовой манипуляции несущих частот соответственно на {0, 180} и {+90,- 90}. Сигнал кода С/А формируется по закону ПСП с периодом 1 мс и тактовой частотой 1,023 МГц, а сигнал кода Р по закону ПСП с периодом семь суток и тактовой частотой 10,23 МГц.
Способ разделения сигналов разных спутников системы - кодовый. Коды формируются двумя генераторами ПСП, причем выбор начального состояния регистра сдвига одного из кодов придает образуемой кодовой последовательности данного i -го спутника индивидуальную окраску. Из большого числа возможных состояний выбраны всего 32, которые порождают коды с наилучшими характеристиками в частотно-временной плоскости [27,39,42,45]. Таким образом, появляется возможность идентифицировать по коду все спутники системы, число которых, не считая резервных, составляет 24.
В аппаратуре потребителей измеряются псевдодальность до КА по оценке задержки дальномерной ПСП и радиальная скорость по оценке доп- леровского смещения частоты несущей. В сигналы кодов Р и С/А закладывается соответствующий массив служебной информации, содержащий эфемериды, альманах, частотно-временные поправки, метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры. По результатам измерений при использовании служебной информации решается навигационно- временная задача.
В одном кадре навигационного сигнала передается всего 1/25 альманаха. Поэтому для сбора полного альманаха требуется прием 25 кадров, совокупность которых по существу образует суперкадр длительностью 12,5 мин [11,25,35].
1.8 Современное состояние СРНС
В конце XX века благодаря стремительному развитию микроэлектроники стало возможным построение недорогих и компактных приемников, что привело к лавинообразному росту числа потребителей услуг СРНС. Одновременно с этим пользователи стали предъявлять всё более жесткие требования к качественным показателям работы системы: точности, помехозащищенности, целостности. Одним из путей удовлетворения подобных требований является модернизация пользовательского интерфейса, то есть сигналов, излучаемых КА [31]. Именно по этой причине возникла необходимость провести глубокую ревизию существующих сигналов СРНС и предложить новые сигналы, отвечающие запросам разных классов пользователей.
Важным является и экономический аспект подобного шага - потребители разных сегментов рынка предъявляют различные требования к аппаратуре. Одним требуются дешевые и малогабаритные устройства, другим — аппаратура, обладающая повышенной надежностью, точностью и помехоустойчивостью.
Разработка новых сигналов СРНС направлена на решение следующих основных задач: совершенствование корреляционных характеристик, повышение точности и устойчивости слежения, повышение помехозащищенности и снижение порога надежной демодуляции данных [46,47]. Решению этих задач должны способствовать следующие мероприятия: использование кодов большей длины, введение сигнала без модуляции данными (пилот-сигнала); расширение спектра и применение новых методов модуляции сигналов; использование более эффективных кодов для коррекции ошибок в канале передачи данных.
В настоящее время многие страны сочли необходимым развертывание собственных СРНС для обеспечения таким образом независимости от системы GPS, контролируемой непосредственно министерством обороны США, которое в определенных случаях имеет возможность отключить КА или внести предумышленные искажения в передаваемые сигналы. Именно по этой причине Европейский Союз, Китай, Япония и Индия проводят интенсивные исследования, направленные на создание собственных СРНС. Параметры существующих и перспективных сигналов СРНС приводятся в Интерфейсных Контрольных Документах (СРНС GPS, Галилео, COMPASS, QZSS) и в концепциях развития (IRNSS).
Рассмотрим более подробно направления модернизации существующих и общие характеристики вновь развертываемых систем.
1.8.1 GPS
Для удовлетворения потребностей всех классов потребителей в настоящее время вводятся новые сигналы и частотные диапазоны с сохранением принципа преемственности, т.е. предоставления возможности потребителям пользоваться как старым сигналом L1C/A, так и новыми: L1C, L2C и L5 [48-52].
В табл. 1.1 приведены основные параметры гражданских сигналов СРНС GPS.
Таблица 1.1 - Параметры гражданских сигналов СРНС GPS
Каждый из трех модернизированных сигналов СРНС GPS имеет свои преимущества и недостатки и может быть наиболее привлекательным для разработки аппаратуры для тех или иных сегментов рынка.
Например, сигнал Ы имеет самую низкую ионосферную ошибку, Ь5 имеет самую высокую инструментальную точность измерений, а также расположен в полосе частот Авиационной Службы Радионавигации АЮ\Г8 [53].
Сигнал Ь2С превосходит сигналы Ы и Ь5 в отношении корреляционной защиты [46,51,54,55]. Это очень важно для ситуаций, когда одни спутниковые сигналы сильны, а другие слабы, как, например, в случае с навигационными определениями внутри зданий или при навигации в пересеченной местности. Благодаря низкой тактовой частоте этот сигнал более предпочтителен, чем L5, для многих пользовательских приложений, даже при достаточном числе КА, излучающих сигнал L5. Однако использование сигнала L2C увеличивает время, требуемое для приема служебной информации СРНС. Последнее связано с тем, что код L2C имеет тактовую частоту меньшую, чем тактовая частота L5. Это может казаться недостатком, но для многих маломощных автономных приложений это является значительным преимуществом. Мощность, потребляемая процессором аппаратуры потребителей, зависит от номинала тактовой частоты. Это не является проблемой для оборудования, установленного на носителе с соответствующим питанием, но для портативных приемников и мобильных телефонов значение потребляемой мощности является критическим. Другим важным преимуществом является то, что более низкая тактовая частота предоставляет гибкость в выборе фильтров, тогда как широкая полоса сигнала вынуждает для устранения внеполосной интерференции использовать широкополосные фильтры с большим коэффициентом прямоугольности, имеющие более высокую стоимость.
В итоге, за исключением погрешности ионосферной рефракции, L5 превосходит старый сигнал L1C/A во всех аспектах. Несмотря на то, что мощность сигнала L5 на 6 дБ больше L2C, последний предоставляет больше гибкости в разработках с наиболее наглядными преимуществами для маломощных, миниатюрных и недорогих пользовательских приложений.
1.8.2 Galileo
Galileo - европейский проект СРНС. Планируя создание собственной системы, ЕС опирался главным образом на достижения GPS, причем во главу угла ставилась возможность совместного использования двух систем для задач местоопределения с высокой точностью в сложной помеховой обстановке .
Помимо стран ЕС достигнуты договорённости на участие в проекте с Китаем, Израилем, Южной Кореей, Украиной и Россией. Ожидается, что Galileo войдёт в строй в 2013, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.
В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Galileo не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями, её разработку осуществляет Европейское Космическое Агентство (ЕКА).
Первый опытный спутник системы Galileo GIOVE-A 28 декабря 2005 года был выведен на расчётную орбиту высотой 23 000 км с наклонением 56. Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Galileo на всех частотных диапазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспериментирования, которое и было успешно завершено примерно в расчетные сроки.
Второй опытный спутник системы Galileo GIOVE-B был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача GIOVE-B заключалась в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам.
Оба спутника GIOVE предназначены для проведения испытаний аппаратуры и исследования характеристик сигналов. Для систематического сбора данных измерений усилиями ЕКА была создана всемирная сеть наземных станций слежения оборудованных приемниками, разработанными в компании Septentrio.
Предварительные данные об основных параметрах сигналов открытой службы СРНС Galileo приведены в табл. 1.2 [56-61]. Опорные дальномерные коды СРНС Galileo представляют собой ярусные коды, состоящие из первичного кода малой длительности, который модулируется вторичным кодом большой длительности.
Таблица 1.2- Параметры сигналов открытой службы СРНС Galileo
Приведенные в таблице данные не являются окончательными, и в настоящее время разработчиками СРНС Galileo ведутся работы по их уточнению. Как видно из таблиц, во всех новых гражданских сигналах GPS и Galileo имеются составляющие с данными и без данных для обеспечения возможности увеличения времени когерентного интегрирования и снижения порога слежения за несущей. В наборе сигналов GPS и Galileo присутствуют сигналы, предназначенные как для применений в условиях сильных затуханий сигналов, так и для авиационных и других высокодинамичных применений; последние сигналы обладают лучшей устойчивостью к воздействию внутриполосных помех.
1.8.3 Compass
Идея создания китайской региональной навигационной системы из двух КА на геостационарной орбите была предложена в 1983 г. и данная концепция успешно прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент проводился на базе двух, находящихся на орбите КА и наземного сегмента, состоящего из набора наземных станций, которые в совокупности образовали единую сеть опорных маяков и позволили создать дальномерную РНС. Отличием такой системы от GPS или ГЛОНАСС являлась невозможность выполнения скоростных измерений. Точность определения координат потребителя в такой системе была сравнима с точностью, обеспечиваемой сигналом L1C/A системы GPS, при условии, что текущее положение КА на геостационарных орбитах известно с высокой точностью. 15 декабря 2003 года китайская система COMPASS первого поколения была сдана в эксплуатацию, что позволило стране войти в тройку стран, владеющих собственной СРНС.
Собственная региональная система навигации КНР для стран Юго- Восточной Азии и Тихого океана на базе спутников Compass находится в стадии развертывания и к 2015 г. будет преобразована в полноценную по возможностям глобальную СРНС с космическим сегментом из 25 КА. В состав системы будут входить четыре геостационарных спутника, 12 КА на наклонных геосинхронных орбитах и девять КА на круговых орбитах высотой 22 ООО км. Предварительные данные об основных параметрах открытых сигналов СРНС Compass приведены в табл. 1.3 [62,63]. Дальномерные коды СРНС Compass идентичны по структуре сигналам СРНС GPS и содержат компоненту с данными и без них.
Таблица 1.3 - Параметры гражданских сигналов СРНС Compass
1.8.4 QZSS
QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) - японская спутниковая система, которая создается как региональное дополнение GPS, имеет и собственные навигационные возможности. Главным образом благодаря QZSS будет предоставляться комплексный сервис для мобильных устройств, включающий услуги связи и позиционирования. В настоящее время система находится на стадии проектирования. Запуск первого спутника планируется в 2010 году.
Предпосылкой появления такой системы является бурное развитие GPS-технологий в Японии, включая автомобильные навигаторы и мобильные телефоны с GPS-приемником. Поэтому в 2002 году была принята концепция создания QZSS. Ожидается, что использование новой системы позволит достичь более высокой точности и надежности навигационного сигнала. Это
станет возможным благодаря улучшению видимости, доступности, рациональному геометрическому расположению спутников, а также корректировочным сообщениям.
Космический сегмент системы будет включать в себя 3 спутника, расположенных на эллиптических орбитах над Азией. Такие орбиты позволят космическим аппаратам находиться более 12 часов в сутки в пределах сектора в 20 относительно зенита [64].
Планируется [65,66], что КА смогут излучать сигналы в диапазонах L, S-и Ки. S-диапазон предназначен для низкоскоростной связи, а Ки-диапазон для передачи данных с высокой скоростью. Пять из шести сигналов QZSS используют те же самые структуры, частоты и форматы сообщений, как и сигналы GPS. В ходе межправительственной встречи по вопросам применения системы GPS и ее дополнений, которая состоялась 10 ноября 2008 года, было заключено соглашение, гарантирующее взаимодействие и совместимость GPS и QZSS. Согласно сообщению JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований) региональная система сможет передавать сигнал L1C/A, а также планируемые L1C, L2C и L5. Кроме того на территории Японии будет доступен сигнал L1SAIF, который будет передавать дифференциальные поправки на частоте 1575.75 МГц. Еще одни экспериментальный сигнал, передаваемый на частоте 1278.75 МГц, будет совместим с сигналом Galileo. Начиная с июля 2007 года продолжаются консультации, цель которых обеспечить совместимость с китайской навигационной системой Compass.
1.8.5 IRNSS
Индийская региональная СРНС находится в состоянии разработки и будет содержать в своем составе семь КА на геостационарной орбите для удовлетворения потребностей навигации в собственной стране.
