Навигационные комплексы Гланасс и Новстар

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 7
1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ СОГЛАСОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ
СИСТЕМ «ГЛОНАСС» И «НАВСТАР» 8
1.3. МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ 9

1.3.1. Краткая характеристика хранителей времени 9

1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов 14
1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ
БХВ ИСЗ С НХВ. 15
1.5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НА ПРИМЕРЕ НИСЗ. 17

1.5.1. Необходимость коррекции 17

1.5.2. Коррекция методом фазирования 18

1.5.3. Коррекция кода БШВ 19
1.6. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ СВЕРКИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ ПО ВЫБОРКЕ ОДНОВРЕМЕННЫХ
ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. 19
1.7. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ СВЕРКИ ШВ ПУНКТА С ИЗВЕСТНЫМИ КООРДИНАТАМИ ПО
ДАННЫМ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ И РАДИАЛЬНЫХ ПСЕВДОСКОРОСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 24
1.8. СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ СЕТИ НИСЗ НА ОСНОВЕ ВЗАИМНЫХ ВРЕМЕННЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ 26
1.9. СПОСОБЫ УЧЁТА В НАВИГАЦИОННОМ СЕАНСЕ СМЕЩЕНИЙ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НИСЗ 29
1.10. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТИПОВОЙ АП ССРНС 31

1.10.1. Состав АП потребителя 31

1.10.2. Задачи решаемые блоками АП 33

2. Выбор и обоснование принятого варианта устройства коррекции шкал времени удалённых пунктов 36

2.1. Выбор и обоснование метода сверки и коррекции шкал времени 36
2.2. Выбор и обоснование аппаратуры приёма шкалы времени 37

2.2.1Одноканальная АП 37

2.2.2Многоканальная АП 40
2.3.Выбор и обоснование структурной схемы аппаратуры сверки и коррекции ШВ
42
2.4. Выбор и обоснование функциональной схемы устройства сверки и коррекции ШВ 43

2.4.1. Выбор микропроцессора 43

2.4.2. Выбор ОЗУ 45

2.4.3. Выбор ПЗУ 46

2.4.5. Выбор устройства ввода-вывода 46
2.5. Алгоритм работы устройства СКШВ 47
2.6. Синтез принципиальной схемы устройства СКШВ 47

3. Электрический расчёт 50

3.1. Краткие сведения о вторичных источниках питания 50
3.2. Расчёт силовой части импульсного преобразователя 51

3.2.1. Принцип действия преобразователя 52

3.2.2. Расчёт преобразователя 53

4. Конструктивный расчёт 58

4.1. Конструкция печатной платы 58
4.2. Конструкции блоков микроэлектронной аппаратуры 60

5. Технико-экономическое обоснование дипломного проекта 63

5.1. Методы экономического обоснования дипломного проекта. 63
5.2. Характеристика проекта. 64
5.3. Определение смётной стоимости и отпускной цены на НИОКР. 64
5.4. Построение сетевого графика 67

6. Охрана труда и экологическая безопасность 72

6.1. ТРЕБОВАНИЯ К ПЕРСОНАЛУ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕГЛАМЕНТНЫХ РАБОТАХ НА
ОБОРУДОВАНИИ НАХОДЯЩИМСЯ ПОД ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ. 72
6.2. ОХРАНА ТРУДА В ПОМЕЩЕНИЯХ С ТЕХНИЧЕСКИМ МИКРОКЛИМАТОМ. 74

6.2.1. Общая характеристика технологического микроклимата в помещении и его влияние на организм работающих. 74

6.2.2. Нормативные санитарно–гигиенические параметры среды, средства и методы их обеспечения при организации технологического микроклимата 76

Заключение 81

Литература 83

Приложение 86

Введение

Развитие радионавигационных средств на протяжении всей истории их существования неизменно стимулировалось расширением области применения и усложнением задач, возлагавшихся на них, и прежде всего ростом требований к их дальности действия и точности. Если в первые десятилетия радионавигационные системы обслуживали морские корабли и самолеты, то затем состав их потребителей значительно расширился, и в настоящее время охватывает все категории подвижных объектов, принадлежащих различным ведомствам. Если для первых РИС - амплитудных радиомаяков и радиопеленгаторов - была достаточна дальность действия в несколько сотен километров, то затем постепенно требования к дальности возросли до 1...2.5 тыс. км (для внутриконтинентальной навигации), до 8...10 тыс. км (для межконтинентальной навигации) и, наконец, превратились в требования глобального навигационного обеспечения. Что касается точности, то поначалу устраивала точность в несколько километров, затем оказалось возможным реализовать точности в сотни метров и, наконец, с появлением технических возможностей для создания сетевых СРНС удалось удовлетворить требованиям на уровне десятка метров. Но требования продолжают ужесточаться, возникает необходимость в дециметровых и сантиметровых точностях, которые можно обеспечить, совершенствуя сетевые СРНС и применяя в них дифференциальный режим работы.

К настоящему времени в арсенале радионавигационной техники скопилось немало систем, отличающихся между собой дальностью действия и точностью, что предопределяет различие их в принципах действия. Средства ближней навигации (РСБН) в диапазоне УКВ используют импульсные дальномеры и фазовые или частотные угломерные устройства на примерах системы «ВОР», «ДМЕ»,
«РСБН». Из средств дальней радионавигации (РСДН) можно отметить длинноволновые «Чайку» и «Лоран-С», работающие в импульсно-фазовом режиме, и сверхдлинноволновые «Омегу» и «РСДН-20» с фазовыми измерениями. Находят также применение амплитудные многолепестковые радиомаяки типа «ВРМ-5» и
«Консоль». Низкоорбитные спутниковые РНС "Цикада» и «Транзит», основанные на доплеровских (частотных) измерениях, широко обеспечивают кораблевождение. Наконец, находятся в стадии интенсивного развертывания среднеорбитные сетевые СРНС «Глонасс» и «Навстар», обладающие самыми высокими показателями: глобальностью, высокой точностью, непрерывным обслуживанием неограниченного числа потребителей.

Важно подчеркнуть, что основу Единого поля составит глобальное поле сетевых СРНС. Эти системы 2-го поколения являются сетевыми системами непрерывного действия, обеспечивающими глобальное высокоточное определение полного вектора состояния П. Сеть НИСЗ развертывается из 18-24 спутников, координировано обращающихся по круговым орбитам высотой около 20000 км
(период обращения 12 ч), лежащим в 3-6 пересекающихся плоскостях с наклонением 55...65( так, что на каждой из орбит равномерно размещается 3-8
НИСЗ. Спутники на таких орбитах имеют достаточно обширную зону видимости и позволяют уверенно выполнять по ним радиально–скоростные измерения. Это позволило реализовать важную техническую идею – координацию пространственного расположения НИСЗ на орбитах и координацию по времени излучаемых спутниками сигналов. Именно координация движения всех НИСЗ придает системе сетевые свойства, которых она лишена при отсутствии коррекции положения НИСЗ.

В СНГ СРНС 2–го поколения получила наименование “Глонасс” (Глобальная навигационная спутниковая система), в США “Навстар” (Navstar–Navigational
Satellite Time and Randin – навигационный спутник измерения времени и координат) или по ее фактическому назначению GPS (Global Position Sistem – глобальная система местоопределения). Основные свойства обеих СРНС определяются выбором системы НИСЗ (баллистическим построением), высокой стабильностью бортовых эталонов частоты, выбором сигнала и способов его обработки, а так же действенными способами устранения и компенсации ряда погрешностей.

ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система, предназначенная для определения положения, скорости и точного времени для кораблей, самолетов, наземных объектов и других типов пользователей. Система “Глонасс состоит из трех подсистем: подсистемы космических аппаратов, подсистемы контроля и управления, оборудование пользователей.

Орбитальная группировка ИСЗ состоит из 24 спутников, по восемь в каждой из трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости размещаются через каждые 120 градусов по возрастанию абсолютного угла долготы.

Определение пространственных координат и составляющих скорости основывается на дальномерных и доплеровских измерениях. Спутниковые РИС характеризуются высокими требованиями к формированию системной шкалы времени и ее поддержанию (хранению) в течение всего срока существования системы. Необходимость в высокой стабильности временной шкалы возрастает по мере повышения требований к точности навигационных определений, в особенности при использовании пассивного дальномерного метода. Параметры системы и ее отдельных звеньев, а также математическое обеспечение (МО) выбираются так, чтобы точность навигационных определений оценивалась значениями по координатам до 10 м, по скорости до 0,05 м/с.

Глобальное поле сетевых СРНС при успешном развитии международного сотрудничества будет образовано полями обеих систем «Глонасс» и «Навстар», т.к. близость этих систем как по баллистическому построению орбитальной группировки КЛА, так и по радиосигналам, излучаемым КЛА, позволяет создать
АП, работающую по сигналам обеих систем. При этом в качестве рабочих созвездий будут одновременно использованы КА, принадлежащие обеим системам.

В бортовой аппаратуре навигационно-временного обеспечения подвижных объектов, создаваемой в виде комплексов соответствующих средства основным радионавигационным каналом явится канал сетевых СРНС, позволяющий определять полный вектор состояния подвижного объекта - три его координаты, три составляющие вектора скорости, поправки к бортовой ШВ и к частоте местного эталонного генератора. Поскольку потребителями ССРНС будут не только подвижные объекты, но и стационарные, нуждающиеся в высокоточном определении их координат и поправок к местной ШВ, речь может идти не только о навигационно-временном обеспечении, но и о более широкой задаче - координатно-временном обеспечении. Применительно к такой постановке вопроса можно также утверждать, что основу координатно-временного обеспечения составит именно применение сетевых спутниковых РИС.

Можно утверждать, что основой навигационно-временного обеспечения потребителей всех видов (исследовательских, народнохозяйственных, оборонных) на ближайшие десятилетия явятся именно сетевые спутниковые системы «Глонасс» и «Навстар».

Целью дипломного проекта является разработка устройства при помощи которого можно осуществлять синхронизацию шкал времени (ШВ) удалённых пунктов. В качестве эталона времени принимается ШВ системы «ГЛОНАСС». При помощи этого устройства можно осуществлять привязку к другим системам точного времени (СЕВ, UTC). Этого можно достигнуть, учитывая известные расхождения между ШВ «ГЛОНАСС» и ШВ других систем. Ещё более повысить точность временного обеспечения можно путём использования сигналов американской спутниковой навигационной системы GPS (NAVSTAR), однако в данном проекте такая задача не ставится.

1. Обзор существующих методов решения задачи синхронизации шкал времени разнесённых пунктов

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую
РНС, в которой роль опорных радионавигационных точек (РНТ) выполняют ИСЗ, несущие навигационную аппаратуру. Навигационные ИСЗ (НИСЗ) являются аналогом неподвижных РНТ, представляющих собой опорные пункты наземных РНС.
Перенос РНТ из наземных точек с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привел к существенным изменениям в построении этих РНС. Если наземные РНС содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру РНТ и потребителей (П), то СРНС включают в себя ряд дополнительных звеньев. Упрощенная структурная схема СРНС включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру П, командно-измерительный комплекс
(КИК) и центр управления (ЦУ).
Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развертывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракетоносителей и НИСЗ, их испытания, заправку
НИСЗ и их состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с НИСЗ на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск. Приданные космодрому командно-измерительные средства по телеметрическому и траекторному каналам контролируют работу бортовых систем и траекторию полета на участке вывода на орбиту.
Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации.
На НИСЗ, как на КА, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. С навигационными блоками взаимодействуют бортовой эталон времени и бортовая ЭВМ.
Аппаратура потребителей предназначается для приема сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре П предусматривается специализированная
ЭВМ.
Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими как космическими аппаратами. Для этого с помощью наземных средств КИК выполняется телеметрический контроль за состоянием спутниковых систем и управление их работой, осуществляется определение параметров
Движения НИСЗ и управление их движением, проводится сверка и согласование бортовой и наземной шкал времени, а также ведется снабжение П так называемой эфемеридной информацией, т. е. сведениями о текущих координатах сети НИСЗ, информацией о состоянии их бортовых шкал времени, а также рядом поправок.
Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и
КИК.

1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ СОГЛАСОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ
СИСТЕМ «ГЛОНАСС» И «НАВСТАР»

В ССРНС «Глонасс» и «Навстар» в качестве хранителей ШВ используются соответствующие высокостабильные НХВ и в каждой из систем наземный комплекс управления (НКУ) осуществляет синхронизацию шкал БХВ НИСЗ и НХВ.
Система «Навстар» предназначена не только для навигационных определений, но и для временных. При этом под временным определением понимается оценка поправки к шкале времени потребителя относительно некой универсальной шкалы. В качестве последней в системе «Навстар» принята шкала Морской обсерватории США - UТСUSNO. Дополнительно НКУ решает задачу синхронизации шкалы НХВ системы «Навстар» и шкалы UТСUSNO. Как будет отмечено далее, модель ухода НИСЗ в системе «Навстар» с достаточной степенью точности на интервале времени до 1ч описывается полиномом 2-й степени, коэффициенты полинома a0, а1, а2 определяемые средствами НКУ, передаются в кадре сигнала в составе служебной информации и позволяют обеспечить синхронизацию
ШВ сети НИСЗ системы. Кроме того, для обеспечения временных определений в составе служебной информации (СИ) передаются два коэффициента А0, А1, позволяющие потребителям определять время в шкале UТСUSNO.
Аналогичный способ синхронизации ШВ БХВ используется и в системе
«Глонасс». Отличие заключается в следующем: уход ШВ БХВ на интервале времени 0,5 ч описывается полиномом первой степени (коэффициенты a0, а1), в качестве универсальной ШВ используется шкала СЕВ, поправка к системной ШВ относительно шкалы СЕВ передается в виде коэффициента А0.
Формирование ШВ в системах «Глонасс» и «Навстар» схематично показано на рис. 1.

[pic]

Рисунок 1 Схемы формирования шкал системного времени ССРНС "Глонасс" и

"Навстар"

Принятая идеология синхронизации ШВ БХВ в системах «Глонасс» и «Навстар» позволяет достаточно просто обеспечить взаимную синхронизацию ШВ НИСЗ этих систем. Простейший вариант решения этой задачи заключается в следующем. К
НХВ системы «Глонасс» подключается навигационно-временная аппаратура системы «Навстар» (или универсальная аппаратура), по сигналам НИСЗ системы
«Навстар» решается временная задача и определяется расхождение системных
ШВ. Расхождение в виде соответствующих коэффициентов закладывается на борт
НИСЗ и передается в составе СИ. Аналогичный способ можно использовать и в
НХВ системы «Навстар», где временная задача будет решаться аппаратурой
«Глонасс» по сигналам её НИСЗ. Более высокую точность сведения ШВ систем можно обеспечить при синхронизации НХВ в дифференциальном режиме.

1.3. МЕТОДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ

1.3.1. Краткая характеристика хранителей времени

Наиболее высоким уровнем эффективности использования различных РИС представляется создание единого радионавигационного поля, когда излучения всех источников навигационных сигналов синхронизированы. При этом информация, выделяемая при обработке сигналов любой из излучающих радиостанций, способна в соответствующей степени повысить точность и надежность навигационно-временных определений.
Задачу синхронизации ШВ сети стационарных и подвижных пунктов можно решить различными методами. Однако в последнее время в связи с созданием глобальных сетевых спутниковых РИС «Глонасс» и «Навстар» вновь привлечено внимание к способу синхронизации с использованием НИСЗ , что связано с ожидаемой высокой точностью при глобальной зоне обслуживания.
Для обоснования использования СРНС для этих целей приведем общую характеристику хранителей временных шкал в этих системах.
Спутниковые РИС характеризуются высокими требованиями к формированию системной шкалы времени и ее поддержанию (хранению) в течение всего срока существования системы. Необходимость в высокой стабильности временной шкалы возрастает по мере повышения требований к точности навигационных определений, в особенности при использовании пассивного дальномерного метода.
Системная шкала времени задается наземным хранителем времени (НХВ).
Носителями системного времени на борту НИСЗ являются бортовые хранители времени (БХВ). При этом в системе непосредственно используются бортовые шкалы НИСЗ, поскольку именно их состояние определяет точность измерений
РНП, а шкала наземного хранителя выступает как эталонная. Приведение в соответствие шкал БХВ НИСЗ со шкалой НХВ, т. е. синхронизация временных шкал, осуществляется путем проведения операций сверки и коррекции времени с использованием радиоканалов НИСЗ - Земля и Земля - НИСЗ.

Времязадающим элементом в ССРНС является НХВ, который создает шкалу времени (и необходимую сетку синхрочастот) путем деления частоты высокостабильного опорного генератора.
В качестве опорного генератора используются цезиевые или водородные атомные стандарты. Одной из основных характеристик стандартов частоты является относительная нестабильность частоты на некотором определенном интервале времени

(f/f0=(f1 -f0)/f0 ,
(1.1) где: f1 и fо - соответственно действительное и номинальное значения частоты.
Для современных атомных стандартов суточная относительная нестабильность частоты (1...5)x10-14 и выше. Конечно, для поддержания столь высокой стабильности необходимо создание сложного аппаратурного комплекса, обеспечивающего функционирование сердцевины НХВ - атомного стандарта - в условиях постоянной температуры, минимального влияния внешних и внутренних электромагнитных полей, исключения вибраций и т. д.
В БХВ, как и в НХВ, временная шкала формируется высокостабильным опорным генератором. В БХВ используются кварцевые или атомные стандарты частоты.
Космические кварцевые стандарты имеют относительную нестабильность
(1...5)x10-10, а атомные до 1 x 10-11...1 x 10-12. Возможности дальнейшего улучшения стабильности кварцевых генераторов практически исчерпаны, а значения нестабильности частот атомных стандартов могут быть доведены до 1 x 10-13 и единиц 10-14.
Предположим, что бортовые шкалы времени НИСЗ приведены в строгое соответствие со шкалой НХВ. Далее, с течением времени начнется неизбежное расхождение этих шкал и прежде всего за счет ухода частоты БХВ, поскольку именно они эксплуатируются в наиболее сложных условиях. Наряду с этим при создании космических БХВ сталкиваются с рядом ограничений (весовых, габаритных и энергетических), что не позволяет реализовать инженерно- технические решения, направленные на повышение стабильности.
Стабильность частоты опорного генератора БХВ зависит от многих факторов.
Для кварцевых стандартов, например, это - геометрические размеры кварцевой линзы, конструкция держателя кристалла, совершенство электронной схемы, стабильность поддержания теплового режима, параметры окружающего магнитного и электрического полей и т. д. Обычно принимаются меры конструктивного, схемного и технологического характера к тому, чтобы устранить или существенно ослабить влияние дестабилизирующих факторов. Так, в БХВ применяют систему термостатирования, обеспечивающую поддержание рабочей температуры с точностью до сотых долей градуса. Для защиты от воздействия внутренних и внешних электромагнитных полон используется система экранов, ослабляющих их до единиц и долей эрстеда.
При правильном учете особенностей функционирования БХВ в составе аппаратуры НИСЗ можно добиться некоторого ослабления воздействия дестабилизирующих факторов. Для прецизионной аппаратуры, к которой можно отнести и БХВ, требуется создание более благоприятных условий, например поддержание теплового режима в окрестности установки в пределах tp± 10(С, где tp - оптимальная температура для работы БХВ. Соответственно налагается ограничение и на градиент температурного поля в месте установки БХВ при изменении внешнего и внутреннего тепловых потоков, действующих на НИСЗ.
Подбором взаимного расположения блоков аппаратуры, а при необходимости и установкой дополнительных экранов ослабляется воздействие наводимых в корпусе НИСЗ электромагнитных полей. При высокой насыщенности радиоэлектронной аппаратурой обеспечение указанных условий работоспособности БХВ на борту НИСЗ является нелегкой задачей.
Необходимо отметить, что на уход бортовой шкалы времени немалое влияние оказывают и индивидуальные особенности того или иного образца БХВ. Это – точность установки номинала частоты опорного генератора, точность воспроизводимости частоты от включения к включению, шумовые характеристики электронной схемы БХВ и др.
Основные характеристики некоторых типов спутниковых бортовых стандартов частоты приведены в табл. 1.
Таким образом важной стороной использования СРНС может является передача сигналов единого времени. Без особых трудностей шкала системы может быть синхронизирована со шкалой системы единого времени (СЕВ). Расхождения шкал, выявляемые в процессе синхронизации, фиксируются как поправка к системному времени. Эта поправка в виде, соответствующего кода вносится в состав кадра навигационного сигнала. Потребители в процессе навигационного сеанса определяют системное время, а учитывая указанную поправку, и время в шкале
СЕВ.
Как видно из изложенного ССРНС 2-го поколения могут эффективно решать задачи временной синхронизации удаленных пунктов. Выполняться это может различными способами.

|Характеристи|Кварцевый |Атомные стандарты частоты |
|ка |стандарт | |
| |частоты | |
| | |Рубидиевый |Цезиевый |Водородный |
|Масса, кг |1,35 |2,25 |13,5 |33,7 |
| | | | | |
|Потребление,|2,0 |13,0 |25,0 |30,0 |
|Вт | | | | |
|Объём, дм3 |1,13 |1,13 |11,3 |28 |
|Относительна| | | | |
|я |5 x 10-10...1|1 x 10-12 |1 x 10-13 |1 x 10-14 |
|нестабильнос|x 10-10 | | | |
|ть частоты | | | | |
|(за сутки) | | | | |
|Температурны| | | | |
|й |2 x 10-11 |– |– |– |
|коэффициент | | | | |
|частоты | | | | |
|(1/(С) | | | | |
|Факторы | |Ухудшение |Уровень | |
|ограничивающ|Старение |характеристи|шумов в |Запас |
|ие срок |кварца |к лампы |атомно-лучев|водорода |
|службы | | |ой трубке | |

Таблица 1. Основные характеристики некоторых бортовых стандартов частоты

НИСЗ.

Например в каждом из пунктов синхронизируемой сети ШВ формируются местными преобразователями фазы и частоты высокостабильных генераторов, обеспечивающих прецизионное хранение начала и масштабов интервалов времени.
Для поддержания высокой точности синхронизации ШВ различных пунктов необходимы периодическая сверка и взаимное сведение этих шкал. Чем ниже стабильность хранения и точность сверки ШВ, тем чаще должно осуществляться их сведение для обеспечения заданной точности синхронизации.
При использовании сигналов нескольких синхронизированных НИСЗ сверка сети пунктов производится обработкой результатов измерений времен прихода сигналов на эти пункты. Наиболее характерные алгоритмы обработки измерений базируются на использовании метода наименьших квадратов или рекуррентного фильтра Калмана. В зависимости от способа дальнейшего использования найденного временного рассогласования, определяемого функциональным назначением данного синхронизируемого пункта, возможны различные варианты сведения ШВ сети пунктов по сигналам СРНС.

1.3.2. Способы синхронизации удалённых пунктов

Наиболее простой способ синхронизации заключается в независимой работе пунктов по НИСЗ ССРНС (рис. 2). При этом каждый из синхронизируемых пунктов
(i-й, j -й) независимо сверяет свою ШВ (tЭЧ)с ШВ сети НИСЗ определяет поправку ((t =t НИСЗ – t ЭЧ) и корректирует свою ШВ на размер этой поправки. Как видно из рис.1, после проведения сеансов сверки в i-м и j -м пунктах ШВ каждого из пунктов оказываются привязанными к шкале времени t
НИСЗ. Типичным примером подобного способа синхронизации сети пунктов является использование для этого аппаратуры потребителей ССРНС.

[pic]

Рисунок 2Структурная схема синхронизации ШВ сети спутников по сигналам
ССРНС.

[pic]

Рисунок 3 Структурная схема сверки ШВ первичного и вторичного ЭЧ

Нередко возникает необходимость привязать ШВ некоторого i-го пункта не к
ШВ НИСЗ, а к ШВ некоторого другого j-го пункта. В качестве примера можно привести сверку вторичного эталона частоты (ВЭЧ) и первичного эталона частоты (ПЭЧ). В этом случае сведение ШВ с помощью НИСЗ может быть осуществлено в соответствии со структурной схемой, изображенной на рис. 2.
Каждый из пунктов определяет рассогласование своей ШВ относительно ШВ системы НИСЗ. Затем j-й пункт, где расположен ПЭЧ, передает информацию о рассогласовании

((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на i-й пункт, где расположен ВЭЧ. На этом последнем пункте в аппаратуре обработки сравниваются размеры рассогласования (t НИСЗ
– t ПЭЧ ) и

(t НИСЗ – t ВЭЧ ) и расхождение ШВ ПЭЧ и ВЭЧ определяется как их разность.
При необходимости ШВ ВЭЧ корректируется. Для передачи информации о рассогласовании ((t j =t НИСЗ – t ПЭЧ ) на пункт, где расположен ВЭЧ, допустимо использовать любую связную радиолинию, которая может быть узкополосной, поскольку данная информация медленно изменяется и легко преобразуется в цифровую форму. Если информация о ШВ ПЭЧ необходима широкому кругу потребителей, то она может быть передана им через НИСЗ.

1.4. МЕТОДЫ СВЕРКИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССРНС ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ БХВ
ИСЗ С НХВ.

Сверка времени в СРНС проводится для выявления ухода шкалы времени относительно эталонной шкалы НХВ. По размеру ухода можно судить о функционировании хранителя времени (ХВ) и о необходимости коррекции шкалы.
В общем случае, ведя прием радионавигационного сигнала на пункте сверки, определяют значение времени в бортовой шкале на момент излучения сигнала
НИСЗ. К моменту приема сигнала значение времени в бортовой шкале t( ШВ изменится и будет определяться выражением

t( ШВ= tИЗМ + (tр + (tрэ + (tпр,
(1.2) где:

(tр - время распространения сигнала на трассе НИСЗ -Земля;

(tрэ - «отставание» бортового времени, вызванное релятивистскими эффектами,

(tпр - прочие аппаратурные и методические погрешности.

Время распространения сигнала (tр определяется расстоянием между НИСЗ и пунктом сверки и скоростью распространения радиоволн. При этом необходимо учитывать, что в фазу радионавигационного сигнала, являющуюся носителем информации о бортовом времени, вносятся дополнительные фазовые сдвиги за счет рефракционных явлений в ионосфере и тропосфере.
Существенный вклад в погрешность определения времени распространения могут вносить задержки сигнала в наземной и бортовой аппаратуре радиоканала. Поэтому наземная аппаратура периодически калибруется и задержка учитывается при сверке шкал.
Релятивистские эффекты порождают различное течение времени на НИСЗ и на наземном пункте. Это вызвано, с одной стороны, относительным движением систем отсчета и, с другой, изменением течения времени под влиянием гравитационного потенциала. Знание с высокой точностью параметров взаимного движения НИСЗ и наземного пункта на моменты сверки позволяют рассчитать величину (tpэ с точностью до единиц наносекунд.
В зависимости от процедуры определения времени распространения сигнала от
НИСЗ до наземного пункта различают пассивный и активный методы сверки времени.
При пассивном методе сверки времени на наземном пункте принимают радионавигационный сигнал и фиксируют значение времени бортовой шкалы. На основе данных траекторных измерений вычисляют дальность до НИСЗ и определяют время распространения сигнала. При этом учитывают параметры, характеризующие состояние ионосферы и тропосферы на трассе НИСЗ - Земля.
Для проведения высокоточной сверки необходимо рассчитывать дальность до
НИСЗ с погрешностью до 1 м, что требует использования измерительных систем высокой точности. С другой стороны, для учета рефракционных погрешностей необходимо иметь надежную модель распространения радиоволн.
После проведения серии измерений, используя известные методы статистической обработки информации, определяют значения расхождения бортовой и наземной шкал времени. Метод сверки временных шкал, подобный описанному, используется в СРНС «Глонасс» и «Навстар».
При активном методе сверки для определения времени распространения привлекаются измерительные каналы Земля - НИСЗ и НИСЗ - Земля. Время между посылкой запросного и приемом ретранслированного навигационным искусственным спутником Земли сигнала составляет удвоенное значение времени распространения (tp.
Рефракционные и прочие погрешности учитываются расчетным путем так же, как и при пассивном методе, с помощью поправок.
Выбор метода сверки временных шкал зависит от требуемой точности сверки, знания модели распространения радиоволн с целью расчета рефракционных поправок, точности расчета положения НИСЗ на моменты сверки и т. д.
Ясно, что активный метод более прост в методическом обеспечении и прочих равных условиях позволяет реализовать более высокие точности, но требует дополнительной аппаратуры как на наземном пункте, так и на борту НИСЗ.
Значение бортового времени, полученное одним из описанных методов, сравнивается с временем НХВ, в результате чего и определяется расхождение шкал и его знак. Поправка к бортовой шкале времени, формируемая в виде кода коррекции, поступает в пункт управления для передачи на НИСЗ. Полезной оказывается также оценка относительного ухода частоты БХВ.
По результатам сверки можно установить закономерность ухода шкалы времени
БХВ и прогнозировать его на определенные интервалы времени. Параметры модели ухода БХВ (например, в виде коэффициентов аппроксимирующего полинома) включаются в состав информационного кадра навигационного сигнала и используются потребителем для повышения точности местоопределения.
При недостаточной инструментальной точности коррекции бортовой шкалы может рассчитываться значение дополнительной поправки к бортовой шкале, которая также вносится в кадр навигационного сигнала.

1.5. МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ НА ПРИМЕРЕ НИСЗ.

1.5.1. Необходимость коррекции

Необходимость в коррекции бортовых шкал времени НИСЗ возникает в нескольких случаях, при первоначальном включении БХВ после вывода НИСЗ на орбиту, при уходе шкалы БХВ относительно шкалы НХВ, превышающем допустимое значение, при переключении резервных блоков БХВ.
Коррекция может выражаться в совмещении временных интервалов бортовой и наземной шкал или в приведении в соответствие их оцифровки. В первом случае операция носит название фазирования БШВ, во втором - коррекции кода БШВ.
При фазировании управляющие команды воздействуют на блок делителей БХВ, а при коррекции кода - на блок кодирования (оцифровки) меток времени.

1.5.2. Коррекция методом фазирования

Управление бортовой шкалой времени при фазировании осуществляется двумя способами: установкой в нулевое состояние блока делителей и сдвигом шкалы бортового времени на значение, необходимое для совмещения с наземной шкалой.
При установке БШВ в исходное состояние с наземного пункта управления подается команда, привязанная к «нулевой» меткевремени НХВ. При этом подача команды производится с упреждением на время распространения радиоволн от наземного пункта до НИСЗ. Шкала времени БХВ устанавливается в нулевое состояние независимо от того, какое значение времени было до фазирования.
Обычно бортовая шкала переводится в нулевое состояние после вывода НИСЗ на орбиту, включения резервных блоков БХВ или грубых сбоев в отсчете бортового времени.
Точность такого способа фазирования определяется аппаратурными погрешностями, точностью расчета времени распространения радиоволн и флуктуационными задержками приемопередающего тракта Земля - НИСЗ.
При фазировании сдвигом шкалы бортового времени команда изменяет коэффициент деления в блоке делителей БХВ. Время воздействия команды зависит от величины необходимой коррекции, которая закладывается в код этой команды, и таким образом к бортовому времени прибавляется или из него вычитается некоторое значение, определенное по результатам сверки. Этот способ фазирования более точен, так как не зависит от параметров радиолинии и наземной аппаратуры.
Сочетание обоих способов фазирования позволяет оперативно и рационально управлять бортовой шкалой времени НИСЗ и добиваться точности совмещения временных интервалов со шкалой НХВ до десятков наносекунд.

1.5.3. Коррекция кода БШВ

Коррекция кода БШВ производится, когда имеет место расхождение в оцифровке временных интервалов бортовой и наземной шкал времени. Обычно расхождение в оцифровке может быть при начальном включении БХВ, сбоях счетчиков бортового времени и сдвиге шкалы на целое число единиц времени.
Команда на коррекцию кода БШВ формируется на наземном пункте и содержит информацию об оцифровке соответствующих временных интервалов наземного хранителя. После приема на борту НИСЗ команда поступает на вход кодирующего устройства БХВ и в соответствии с заложенным кодом производится коррекция состояния счётчиков бортового времени.

1.6. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ СВЕРКИ ШВ УДАЛЕННЫХ ПУНКТОВ ПО ВЫБОРКЕ ОДНОВРЕМЕННЫХ
ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

Основными источниками погрешностей сверки ШВ по сигналам ССРНС являются:
1. погрешности знания векторов состояния НИСЗ, которые обусловлены погрешностями эфемеридного и частотно-временного обеспечения НИСЗ,
2. погрешности измерения времени прихода радионавигационных сигналов, которые складываются из погрешностей калибровки,
3. шумовых и динамических погрешностей измерителя РНП, погрешностей из-за условия распространения радиоволн и прочих составляющих,
4. погрешности знания векторов состояния синхронизируемых пунктов, которые в рассматриваемом случае определяются погрешностями задания координат пунктов.

При анализе точности сверки ШВ по сигналам ССРНС необходимо учитывать корреляцию погрешностей определения поправок к ШВ различных пунктов, вызванную воздействием одних и тех же возмущающих факторов. Для этого необходимо знать коэффициенты корреляции различных составляющих погрешности для каждого из пунктов и коэффициенты взаимной корреляции для различных пунктов. Точно знать эти коэффициенты практически невозможно, поэтому при оценке точности приходится задаваться теми или иными гипотезами относительно их значений. Целесообразно рассмотреть крайние случаи, когда коэффициенты корреляции погрешностей знания векторов состояния НИСЗ и погрешностей измерителя (кроме погрешностей калибровки) радионавигационных параметров равны либо нулю (независимые погрешности), либо единице
(систематические погрешности). При этом учитывается, что коэффициент корреляции погрешностей калибровки для каждого измерителя равен единице, а коэффициент взаимной корреляции для различных измерителей нулю.
Поправка к ШВ j-го пункта, координаты которого неизвестны, определяется по результатам измерений задержек [pic] принимаемых сигналов НИСЗ относительно ШВ этого пункта решением линеаризованной системы уравнении невязок квазидальностей [pic]и (с - скорость света) :

[pic] (1.3)

где: Сji - матрица наблюдений,

( gj - вектор оцениваемых параметров (прямоугольные геоцентрические координаты пункта ипоправка к ШВ),

( gi - вектор погрешностей состояния НИСЗ (погрешности временного и эфемеридного обеспечения в орбитальной системе координат),

Аj - оператор преобразования из орбитальной в геоцентрическую систему координат,

(j - погрешность калибровки приемоизмерительного тракта,

( ji - погрешности измерителя РНП.

Включение координат j-го пункта в вектор оцениваемых параметров позволяет в общем случае решить навигационно-временную задачу, т.е. определить координаты и поправки к ШВ пункта.
Смещение шкалы g-го пункта, работающего по тому же созвездию НИСЗ, что и j-й пункт, определяется аналогично. Сдвиг шкалы j-го пункта относительно шкалы g-го пункта ((tjg) вычисляется по формуле:

[pic] (1.4)

При оценке точности взаимной синхронизации двух пунктов j и g будем счи- тать, что по измерениям [pic] и [pic], методом наименьших квадратов определяется суммарный вектор [pic], причём погрешности измерений РНП распределены по гауссовскому закону. Если весовая матрица есть [pic][pic], где [pic]-дисперсия погрешностей измерителя, I - единичная матрица размером

[2n x 2n], то можно показать, что корреляционная матрица погрешностей суммарного вектора примет вид

[pic]

[pic] (1.5)

где

[pic]

[pic] - корреляционные матрицы погрешностей априорного знания векторов состояния пунктов и НИСЗ; r - коэффициент корреляции погрешностей измерителя; rS - коэффициент корреляции погрешностей априорного знания векторов состояния НИСЗ;

[pic] - дисперсия погрешностей калибровки измерителя РНП.

Если представить выражение в виде

[pic] (1.6)

где N = (0001000 – 1), то среднеквадратическую погрешность определения сдвига шкалы времени j-го пункта относительно шкалы g-го пункта можно вычислить по формуле

[pic] (1.7)

Для анализа точностных характеристик целесообразно выразить через соответствующие геометрические факторы:

[pic] (1.8)

где:

[pic] – геометрические факторы, характеризующие влияние погрешностей измерителей, калибровки и априорного знания векторов состояния НИСЗ на точность определения сдвига ШВ j-го пункта относительно ШВ g-го пункта;

( k:(l:(m:(( t – отношение составляющих погрешностей эфемеридного

(направленные по радиус-вектору k, вдоль орбиты I, по бинормали m, как показано на рис. 4) и временного обеспечения НИСЗ.

Можно показать, что если ШВ сверяются по разным созвездиям и погрешности измерений на j-м пункте не коррелированы с погрешностями измерений g-го пункта (независимая сверка), то [pic] равна сумме дисперсий определения поправок на каждом из пунктов. Если же измерение на пунктах производится одновременно и по одному и тому же созвездию, то часть погрешностей взаимно компенсируется подобно тому, как это имеет место при работе по РНС в дифференциальном режиме .
Диапазоны изменения геометрических факторов при относительной сверке ШВ двух пунктов, разнесенных примерно на 2600 км, по данным ССРНС «Навстар» представлены в табл. 2.

[pic]

Рисунок 4 Геометрия сверки ШВ по одному НИСЗ

Таблица 2. Диапазоны изменения геометрических факторов

|Геометрические |Априорная информация |
|факторы |при известных координатах|при неизвестных |
| |пунктов |координатах пунктов |
|Г(0 |0,5...0,7 |1,5...3,7 |
|Г(1 |0 |0 |
|Г( |(2 |(2 |
|Г0 |0,13...0,20 |0,5...1,3 |
|Г1 |0,11...0,33 |0,4...1,3 |

Анализ приведенных в таблице результатов показывает, что значения геометрических факторов Г(0, Г0, Г1 при сверке ШВ пунктов с известными координатами в 3...5 раз меньше, чем при сверке ШВ пунктов с неизвестными координатами. Коэффициент корреляции погрешностей знания векторов состояния
НИСЗ практически не сказывается на точности относительной сверки ШВ пунктов. Выигрыш в точности зависит от соотношения систематических и независимых составляющих погрешности временных определений.
Отличительной особенностью сверки ШВ пунктов с известными координатами является возможность работы лишь по одному НИСЗ. Выражение для [pic] при этом существенно упрощается.
Если ось ОХ геоцентрической системы координат развернуть так, чтобы она проходила через НИСЗ, а ось ОУ совпадала с плоскостью орбит, то при n = 1 примет вид

[pic] (1.9)

где cos (, cos (, cos ( - направляющие косинусы координатных углов с пункта на НИСЗ.
Вклад отдельных составляющих погрешностей эфемерид в погрешность сверки
ШВ пунктов зависит от взаимного расположения НИСЗ и синхронизируемых пунктов. Если НИСЗ равноудален от пунктов (симметричное расположение пунктов), то погрешность эфемеридного обеспечения по высоте не влияет на точность сверки. Аналогично при симметричном расположении пунктов относительно плоскости орбиты компенсируется составляющая погрешности эфемерид вдоль орбиты, а при симметричном расположении пунктов по одну сторону от орбиты компенсируется бинормальная составляющая погрешностей эфемерид. Таким образом, за счет правильного (симметричного) выбора НИСЗ при относительном способе сверки ШВ можно компенсировать две составляющие эфемеридной погрешности, включая высотную.

1.7. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ СВЕРКИ ШВ ПУНКТА С ИЗВЕСТНЫМИ КООРДИНАТАМИ ПО
ДАННЫМ ПСЕВДОДАЛЬНОМЕРНЫХ И РАДИАЛЬНЫХ ПСЕВДОСКОРОСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Сверка ШВ по данным ССРНС сводится к оценке расхождений ШВ и частот хранителей времени пункта и НИСЗ по результатам псевдодальномерных и псевдодальномерно-псевдодоплеровских (радиальных псевдоскоростных) измерений. Временную задачу можно решать по выборке либо фиксированного, либо нарастающего объема измерений. Рассмотрим влияние лишь случайных погрешностей измерителя РНП на точность временных определений, характеризующих потенциальную точность сверки ШВ пункта с известными координатами.
Характер случайных погрешностей измерения РНП зависит от построения аппаратуры, и в частности от числа каналов измерителя. Если число каналов равно числу НИСЗ, используемых для решения временной задачи, и в каждом канале ведется непрерывное слежение за сигналами одного НИСЗ, то погрешности двух результатов соседних измерении значении доплеровскои частоты коррелированы с коэффициентом корреляции, равным -0,5. Однако если измерение РНП для компенсации влияния ионосферы производится на двух частотах путем периодического переключения каналов с несущей частоты f1 на частоту f2, то даже в многоканальной аппаратуре погрешности доплеровских измерений становятся некоррелированными.
Для решения временной задачи по нескольким НИСЗ можно использовать и одноканальную аппаратуру; при этом радионавигационные сигналы различных КА обрабатываются последовательно во времени и погрешности доплеровских измерений оказываются также некоррелированными.

Так как дальномерные и доплеровские измерения независимые, то выражение для корреляционной матрицы погрешностей частотно-временных определений, обусловленной погрешностями дальномерно-доплеровских измерений, можно представить в виде:

[pic] (1.10)

где Сr Сr: - матрицы соответственно дальномерных и доплеровских наблюдений размерностью [n x 2],

Wr, Wr - корреляционные матрицы погрешностей дальномерных и доплеровских измерений размерностью [n x n].

Пусть для простоты оценка производится для середины интервала наблюдения, тогда для линейной модели ухода шкалывремени матрицы:

[pic] (1.11)

[pic]

После подстановки получаем:

[pic] где:

[pic] при некоррелированных доплеровских измерениях, при коэффициенте кор- реляции соседних допле- ровских измерений - 0,5;
[pic] (1.12)

где:
(r , (r – среднеквадратические погрешности измерений дальности и скорости изменения дальности.

Полученные соотношения позволяют достаточно просто оценить точность определения частотно-временных поправок к ШВ пункта при обработке данных
ССРНС. Наиболее высокая точность сверки ШВ пунктов достигается при совместной обработке дальномерных и доплеровских коррелированных измерений, выигрыш зависит от соотношения величин (r (t и (r и интервала наблюдения.
Для ССРНС «Навстар» при шаге измерений 1с для достижения точности сверки ШВ около 1 нc требуется продолжительность сеанса не менее 20с при работе по коду Р (шумовые погрешности (r = 1 м, (r =0,(05 м/с) и не менее 15 мин при работе по коду С/А ((r = 10 м, ((r = 0.1 м/с). Реальная же точность сверки
ШВ может достичь 25...50 нс.

1.8. СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ СЕТИ НИСЗ НА ОСНОВЕ ВЗАИМНЫХ ВРЕМЕННЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ

Основным источником погрешностей навигационно-временных определений по данным ССРНС являются погрешности частотно-временного и эфемеридного обеспечения НИСЗ. В настоящее время в ССРНС «Глонасс» и «Навстар» требуемые точностные характеристики обеспечивает КИК, который на основании измерении, проводимых наземнои аппаратурой, решает задачу определения и прогнозирования на заданный интервал времени эфемерид НИСЗ и частотно- временных поправок к его БХВ. Полученные значения параметров закладываются на борт НИСЗ и передаются П в составе СИ.

Точность определения параметров НИСЗ таким неавтономным способом зависит от точностных характеристик наземных измерителей РНП, от точностных характеристик бортового и наземного ХВ и от степени соответствия моделей, используемых для прогнозирования движения НИСЗ и ухода шкалы БХВ, реальным процессам. Такой способ формирования эфемеридной и временной информации позволяет обеспечить высокие точностные характеристики системы за счет статистической обработки большого объема информации и использования сложных математических моделей и алгоритмов прогнозирования состояния НИСЗ, ориентированных на универсальные ЭВМ. Однако при данном способе решения задачи погрешность синхронизации БХВ НИСЗ является функцией времени и именно эта величина в первую очередь определяет время автономной работы системы, т. е. Интервал времени, в течение которого характеристики системы поддерживаются точными без помощи КИК.
Повышение точности частотно-временного и эфемеридного обеспечения НИСЗ и увеличение интервала автономного функционирования системы весьма актуальны.
Один из возможных способов автономного решения этой задачи основывается на использовании текущей информации, полученной путем взаимных измерений НИСЗ-
НИСЗ.
Суть метода заключается в следующем. Каждый НИСЗ в течение отведенного интервала времени излучает измерительный сигнал, который остальные НИСЗ созвездия (находящиеся в зоне радиовиди мости излучающего НИСЗ) используют для измерения квазидальности до них. Измеряемый каждым НИСЗ параметр включает разность показаний БХВ спутников и время распространения сигналов между ними. Каждый НИСЗ за достаточно короткий интервал времени, кроме передачи измерительного сигнала, осуществляет также прием результатов квазидальномерных измерений, проводимых другими НИСЗ. Полученные данные позволяют определить уходы ШВ НИСЗ относительно собственной шкалы.
Рассмотрим два НИСЗ, проводящие взаимные временные определения. Обозначим
(ji результат измерения квазидальности, полученный i-м НИСЗ по сигналу j-го спутника. Тогда в результате обмена информацией имеем:

[pic] [pic]

где: rij , rji - расстояние между НИСЗ в момент измерения квазидальности соответственно i-м и j-м НИСЗ,

( tij- уход ШВ i-го НИСЗ относительно шкалы j-го спутника; с - скорость света.

Если цикл взаимных измерений достаточно короткий, то [pic] и [pic]
Вычитая (ji из (ij, получаем:

Страницы: 1, 2, 3