Космос и Человечество

Ю. Урличич, В. Субботин, Г. Ступак, В. Дворкин, А. Поваляев, С. Карутин, Российские космические системы Российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система - ГЛОНАСС вновь приближается к функционированию в полном объеме. По данным на март, 22 спутника находятся в эксплуатации, обеспечивая почти непрерывное глобальное покрытие. Это модернизированные спутники ГЛОНАСС или ГЛОНАСС-М, передающие навигационные сигналы FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов) на частотах L1 и L2. Структура навигационных сигналов, передаваемая спутниками, определяет точность вычислений псевдодальности, которые в свою очередь, влияют на точность определения местоположения пользователя. Развитие функциональных дополнений так же остается приоритетным направлением развития спутниковой навигации в России. В фазу развертывания перешел процесс создания системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) – российской системы SBAS. При этом вопросы совместимости и взаимодополняемости СДКМ и аналогичных зарубежных систем приобрели особую актуальность. Кроме того, спутниковые каналы передачи информации СДКМ являются универсальным средством доставки потребителям точных эфемерид и оперативно уточняемых частотно-временных параметров, что показывает опыт создания региональных навигационных спутниковых систем, таких как QZSS, и создает основу для развития технологий высокоточного местоопределения. В данной статье мы обсудим планы по модернизации системы ГЛОНАСС, касающиеся новых сигналов и развития системы функциональных дополнений. НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ Одним из наиболее важных направлений развития системы ГЛОНАСС является расширение множества излучаемых ею навигационных сигналов. Такое расширение будет происходить путем добавления сигналов с кодовым разделением в диапазонах L1, L2, L3. Излучение старых сигналов с частотным разделением будет продолжаться наряду с излучением новых сигналов. Первым шагом в этом направлении является радиосигнал с кодовым разделением, который будет излучаться спутниками «Глонасс-К» в диапазоне L3 на несущей частоте 1202.025 МГц. Запуск первого спутника серии «Глонасс-К» запланирован на 2011 г. Тактовая частота дальномерного кода равна 10.23 МГц, период кода равен 1 мс. Вид модуляции QPSK(10). Схема формирования излучаемого сигнала ГЛОНАСС в диапазонеL3 показана на рис. 2. Множество всех дальномерных кодов состоит из 31-й укороченной последовательности Касами. Полный период этих последовательностей равен 214-1= 16383 символов. Укорочение до длины N=10230 выполняется установкой с периодичностью 1 мс следующих кодов начального состояния (НС) в регистры генераторов (Г): в Г2 код НС=00110100111000, в Г1 код НС=n, в Г3 код НС=n+32. Здесь n – системный номер КА в орбитальной группировке. Дисперсия межканальных помех используемых дальномерных кодов лежит на уровне ~ -40 дБ. Символы навигационного сообщения (НС) передаются со скоростью 100 бит/с с применением сверточного кодера (СК) с кодовым ограничением 7 и кодовой скоростью ½, т. е. длительность символов НС 10 мс, кодовых символов 5 мс. Переключатель в СК должен находиться в нижнем положении в первой половине каждого информационного символа. ПСП-И для информационного радиосигнала L3И до поступления на фазовый манипулятор (ФМ) суммируется «по модулю 2» с двоичными символами (1 и 0) длительностью 1 мс периодического 5-символьного кода Баркера (КБ=00010), который синхронизирован с кодовыми символами (5мс). ПСП-П для пилотного радиосигнала L3П до поступления на ФМ суммируется «по модулю 2» с двоичными символами (1 и 0) длительностью 1 мс периодического 10-символьного кода Неймана-Хоффмана (НХ=0000110101), который синхронизирован с информационными символами ЦИ (10 мс). КБ и НХ необходимы для синхронизации сверточного декодера в приёмнике радиосигнала L3. Суперкадр навигационного сообщения (2 мин) будет содержать 8 навигационных кадров (НК) для 24-х штатных КА на первом этапе модернизации системы ГЛОНАСС и 10 НК (2,5 мин) для 30-и штатных КА в будущем. Навигационный кадр (15 с) состоит из 5-ти 3-секундных строк. Каждый кадр содержит полный объем эфемеридной информации, относящейся к данному КА, и часть альманаха системы (АС) для трех штатных КА. Полный АС для всех КА, входящих в систему, передается в суперкадре. В начале каждой строки НС передается метка времени и ее оцифровка в виде номера строки внутри текущих суток бортовой шкалы времени. В моменты плановых коррекций национальной координированной шкалы времени России UTC(SU) на  1 с производится такая же коррекция шкалы времени ГЛОНАСС и бортовых шкал времени всех НКА. Для оповещения об этом потребителей в каждый кадр навигационного сообщения закладывается специальный признак А возможной аномальности последней пятой строки этого кадра. Если А=0, то пятая стока данного кадра будет нормальной, т. е. будет иметь длину 3 с, в противном случае, т. е. при А=1, последняя пятая строка данного кадра будет аномальной, т. е. будет иметь длину 2, либо 4 с. О величине коррекции на +1 или –1 с сообщает специальный признак КР так же входящий в состав НС. В конце суток по шкале UTC(SU), на которых осуществляется коррекция, в радиосигнале L3 последняя пятая строка будет укороченной на 1 с если КР=11, либо удлиненной на 1 с если КР=01. При укорочении на 1 с пятая аномальная строка становится непригодной для использования. При удлинении пятой строки на 1 с, дополнительная секунда заполняется символами «0». Введение в навигационное сообщение признака аномальности последней пятой строки навигационного кадра значительно упрощает осуществление секундных коррекций шкалы времени навигационного приемника. Помимо диапазона L3 в настоящее время в ГЛОНАСС проводятся интенсивные работы по выбору ансамблей новых сигналов с кодовым разделением в диапазонах L1 и L2. Основными проблемами при этом являются обеспечение очень низкого уровня спектральной плотности мощности излучения -238 дБ•Вт/м2•Гц в радиоастрономической полосе 1610.6…1613.8 МГц, а так же уплотнение более двух компонент сигнала, при котором обеспечивается постоянный уровень амплитуды излучаемого сигнала. Решение первой проблемы частично достигается подбором видов модуляции с провалом в спектральной плотности мощности в радиоастрономической полосе. На рис. 3 показан пример спектра такого сигнала с модуляцией BOC(5, 2.5), обладающего желаемым провалом. Известны два метода уплотнения навигационных сигналов – временной и нелинейный. Временной метод используется для уплотнения информационной и пилот компонент в сигнале L2C GPS. Нелинейный метод используется для уплотнения компонент в сигналах с модуляцией CBOC в диапазоне E1/L1 и модуляцией AltBOC в диапазоне E5a-E5b Galileo. Недостатком нелинейного уплотнения является энергетические потери ~ 10-16% от мощности передатчика на выравнивание амплитуды излучаемого сигнала. Однако нелинейное уплотнение обладает и несомненными достоинствами – более простым построением аппаратуры потребителя и что очень важно – возможностью поэтапной реализации многокомпонентного сигнала. При такой поэтапной реализации сохраняется работоспособность ранее выпущенного парка аппаратуры потребителя. Вновь разрабатываемая аппаратура может обладать способностью принимать ранее излучавшиеся компоненты, новые компоненты сигнала, а так же сигналы, образуемые старыми и новыми компонентами. Это дает дополнительный выигрыш в характеристиках сигнала как это убедительно демонстрирует сигнал с модуляцией AltBOC.. На рис. 4 показаны векторные и фазовые диаграммы при уплотнении соответственно двух, четырех и шести компонент. Потери на выравнивание амплитуды суммарного излучаемого сигнала не превышают ~ 16% даже при уплотнении 6 компонент. Полное исключение потерь возможно при использовании временного уплотнения, поэтому окончательное решение о построении системы радиосигналов ГЛОНАСС еще не принято. Были проведены исследования по поиску ансамбля кодовых последовательностей, обеспечивающих наименьший уровень дисперсии межканальных помех. Выявлено, что уровень этих помех при произвольных временных сдвигах и смещениях по частоте практически не зависит от типа кодовой последовательности и определяется количеством символов N на ее периоде. Для иллюстрации на рис. 5 и 6 показаны гистограммы лепестков взамнокорреляционных функций кодов Касами длины 4095 и кодов Вейла длины 10230. Для сравнения на этих же рисунках приведены гистограммы лепестков взаимнокоррелляционных функций случайных кодов той же длительности. Из рисунков видим, что гистограммы указанных и случайных кодов практически совпадают. Вариации дисперсии уровней боковых лепестков обычно не превышают 0.1 дБ. Полученные результаты позволяют сделать вывод о инвариантности статистических характеристик межканальных помех к структуре дальномерного ансамбля выбранной длины N. Поэтому в основу выбора ансамбля двоичных кодовых последовательн6остей можно положить, например, простоту способа генерации этого ансамбля. РАЗВИТИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДОПОЛНЕНИЙ Работы по созданию СДКМ ведутся в России с 2002 г. К настоящему времени завершены разработки основных элементов системы - комплекса сбора измерений, включающего станции сбора измерений на территории Российской Федерации и за рубежом, центра СДКМ и комплекса доставки информации потребителям. Наземные станции. СДКМ использует 14 станций мониторинга в России и две в Антарктике на базе российских научно-исследовательских станций Беллинсгаузен и Новолазаревская. Еще около восьми станций планируется разместить на территории Российской Федерации и около семи за ее пределами. Дополнительные станции за пределами РФ могут быть размещены в Латинской Америке и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Центр обработки. Сырые измерения (измерения псевдодальности и несущей частоты ГЛОНАСС и GPS L1 и L2) от наземных станций приходят в центральный пункт обработки информации СДКМ (SDCM CPF

ссылка на источник