Спутниковые системы навигации GPS и Глонасс

В системе НАВСТАР используются непрерывные шумоподобные навигационные радиосигналы на двух несущих частотах (верхней и нижней)

 в=1575,42 МГц; н=1227,6 МГц,

и применяется кодовое разделение навигационных радиосигналов для 24 штатных НКА.

Навигационный радиосигнал на верхней несущей частоте  в  двухкомпонентный, он содержит два фазоманипулированных шумоподобных навигационных радиосигнала в квадратуре (сдвиг по фазе на  90 ): узкополосный и широкополосный.

Узкополосный навигационный радиосигнал  в образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180 периодической ПСП1 с тактовой частотой F1 = 1,023 МГц и с периодом повторения T1 = 1 мс. Двоичные символы ЦИ длительностью 20 мс передаются инвертированием ПСП1.

Широкополосный навигационный радиосигнал  в образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180 периодической ПСП2 с тактовой частотой F2 = 10,23 МГц. Двоичные символы ЦИ длительностью символов 20 мс передаются инвертированием ПСП2.

Навигационный радиосигнал  н  однокомпонентный, широкополосный, образован посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180 периодической ПСП2 без инвертирования.

Широкополосные навигационные радиосигналы в системах НАВСТАР и ГЛОНАСС предназначены для использования санкционированными потребителями и имеют защиту от несанкционированного использования.

Узкополосные навигационные радиосигналы в системах НАВСТАР и ГЛОНАСС являются открытыми и предназначены для гражданских потребителей. Но в системе НАВСТАР эти сигналы искусственно искажаются с помощью процедуры селективного доступа, который ухудшает точность навигации для нелицензионных потребителей.

Точность глобальной навигации наземных подвижных объектов

Проведем оценку точности определения координат наземного подвижного объекта при глобальной оперативной навигации с помощью многоканальной НАП, использующей узкополосные навигационные радиосигналы с частотой 1600 МГц в системе ГЛОНАСС с полной ОГ штатных НКА.

Погрешность определения координат подвижного объекта зависит от геометрических факторов используемого в сеансе навигации созвездия радиовидимых НКА и обусловлены погрешностями ЭИ и ЧВП в кадрах ЦИ, принимаемых от НКА, и погрешностями измерений в НАП псевдодальностей до НКА.

При оценке точности координат подвижного объекта погрешности ЭИ и ЧВП можно пересчитать в эквивалентные погрешности псевдодальностей до НКА.

Погрешности координат НКА, пересчитанные в эквивалентные погрешности псевдодальности, есть проекции погрешностей координат НКА на направление от НКА до объекта. Обозначим:         погрешности координат НКА в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Из простых геометрических построений можно получить следующие формулы для пересчета погрешностей координат НКА в эквивалентные погрешности псевдодальностей (дальностей) от объекта до НКА:

1. для околозенитных НКА

S1 =  H1 при         ;

S1 =  H1 +0,15 M1 при      45 ;

2. для пригоризонтного НКА

 S2 =  H2 +0,25 M2 при  2   0.

Погрешности ЭИ при прогнозе на сутки для НКА первой модификации (см. выше) в среднем составляют  (H) = 4 м,  (L) = 15 м, и, следовательно, эквивалентные погрешности псевдодальностей составят:

 (S1) = 4,0...4,6 м и  (S2) = 5,5 м.

Погрешность ЧВП при прогнозе на 12 ч для НКА первой модификации составляет    Б  = 14 нс и, соответственно, эквивалентная погрешность псевдодальности равна   S) = 4,2 м.

При использовании узкополосных навигационных радиосигналов погрешности измерений псевдодальности для околозенитного   S1) и пригоризонтного   S2) НКА приведены выше.

Составим суммарный бюджет погрешностей псевдодальностей без ионосферы (который будем называть инструментальной погрешностью псевдодальности) для многоканальной НАП, использующей узкополосные однодиапазонные (1600 МГц) навигационные радиосигналы (T0 = 1 с):

 В шестиканальной НАП на наземном подвижном объекте максимальные (0,95) инструментальные погрешности определения местоположения объекта в горизонтальной p и вертикальной z плоскостях связаны с инструментальными погрешностями псевдодальности до “высокого” (околозенитного) НКА  (S1) и до “низкого” (пригоризонтного) НКА  (S2) следующим образом (см. выше):

в лучших ситуациях   p = 2,0  (S2);   z = 2,0  (a);

в худших ситуациях   p = 2,2  (S2);   z = 2,2  (a),

 где

 (a) = [4 2(S1)+2 2(S2)]1/2.

Используя эти формулы и полученные выше значения инструментальных погрешностей псевдодальностей , найдем оценки максимальных инструментальных погрешностей определения местоположения наземных динамичных (T0=1 с) объектов при использовании узкополосных навигационных радиосигналов в однодиапазонной шестиканальной НАП (1600 МГц):

1. в лучших ситуациях  (S1) = 6,2 м;  (S1) = 7,7 м и соответственно  p = 15,4 м;  z = 34 м;
2. в худших ситуациях  (S1) = 6,6 м;  (S1) = 9,6 м и соответственно  p = 21 м;  z = 42 м.

Строгая оценка вклада ионосферных погрешностей определения координат наземного объекта при применении однодиапазонной НАП является достаточно сложной задачей, дадим приблизительный анализ.

В предыдущем разделе были оценены ионосферные погрешности измерения псевдодальностей в однодиапазонной НАП. Было показано, что ионосферная погрешность псевдодальности (дальности) до пригоризонтного НКА ( =5    10 ) равна   R2=3  R1, где   R1   ионосферная погрешность дальности при вертикальном радиолуче. Ионосферные погрешности псевдодальностей в сеансе зависят от времени проведения сеанса: минимальны ночью, максимальны днем.

Пусть наземный объект находится под пересечением двух орбитальных колец , и в сеансе навигации используются шесть НКА: два околозенитных и четыре пригоризонтных . Очевидно, что если сеанс навигации проводится в околополуденное время, то ионосферные погрешности псевдодальностей для пригоризонтных НКА будут мало отличаться друг от друга и соответственно четыре разности между псевдодальностью до пригоризонтного и до зенитного НКА будут приблизительно одинаковы  D =  R2- R1=2 R1. В этой ситуации ионосферные погрешности определения координат наземного объекта в сеансе навигации в околополуденное время можно оценить как

  z=2  D=4  R1;   x,  y= 0,5  D=   R1.

Если сеанс навигации проводится в утреннее или вечернее время, то ионосферные погрешности псевдодальностей до пригоризонтных НКА будут сильно отличаться , и для таких сеансов навигации ионосферные погрешности определения координат можно приблизительно оценить как:   x,  y,  z =  2  R1, где   R1  ионосферная погрешность псевдодальности до зенитного НКА в дневное время.

Если наземный объект равноудален от трех орбитальных колец, то в сеансе навигации нет околозенитного НКА, и “высокие” НКА имеют углы возвышения  1 = 41 ... 45 . Ионосферные погрешности определения координат наземного объекта в таком сеансе навигации будут не больше, чем в сеансе, в котором имеется околозенитный НКА.

Таким образом, в сеансах навигации наземных объектов при использовании шестиканальной однодиапазонной НАП максимальные ионосферные погрешности определения координат объекта можно оценить следующим образом: 

  x,  y = (1...2)   R1;   z = (2...4)   R1,

 где   R1   ионосферная погрешность при вертикальном радиолуче в дневное время.

В худший сезон (зимний день) в годы максимальной солнечной активности   R1 = 15 м. Следовательно, максимальные ионосферные погрешности определения местоположения наземного объекта составят 

  p = [(  x)2+(  y)2]1/2 = 21...42 м;   z = 30...60 м.

 Приведем полученные оценки максимальных суммарных (инструментальных и ионосферных) погрешностей глобальной навигации в СРНС ГЛОНАСС при использовании узкополосных навигационных радиосигналов 1600 МГц в шестиканальной НАП на динамичных (T0 = 1с) наземных объектах в годы максимальной солнечной активности:

 В годы минимальной солнечной активности ионосферные погрешности будут в 5...6 раз меньше, и соответственно максимальные суммарные погрешности глобальной навигации наземных подвижных объектов составят: